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Ing. Luis Gamarra Chavarry
DISPERSIÓN DE LOS CONTAMINANTES
EN LA ATMÓSFERA
Modelo gaussiano de dispersión, coeficientes de dispersión
lateral, concentración máxima en línea a nivel del suelo.
Mg. Ing. Luis Gamarra Chavarry
Ingeniero Geógrafo – Economista
 Modelos de dispersión
 Influencia de los procesos meteorológicos en la contaminación atmosférica
 Estabilidad atmosférica
 Clases de atmósfera según su estabilidad
 Modelos de celda fija estacionaria y no estacionaria
 Modelo gaussiano para contaminantes que no reaccionan.
MODELOS DE DISPERSIÓN DE CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS
•Prevención y cuantificación del impacto ambiental
•Aportación:
• se pueden obtener resultados con anticipación
• son el instrumento más válido en la decisión de la planificación y en la
adopción de medidas correctoras
•Objetivo : integrar todos los elementos que inciden en la calidad del aire
• condiciones meteorológicas
• característica de la fuente
• química de los contaminantes
• influencia de la topografía, orografía, etc
•Finalidad : adecuar las medidas correctoras (económica y técnicas)
Importancia de los modelos de dispersión (1)
• Evaluaciones de Impacto de uno o varios focos de CA de carácter
puntual, lineal o superficial existentes o previstos
• Optimización de alturas de chimeneas para instalaciones industriales
• Estudios de contaminación de fondo
• Planificación urbana e industrial (escala regional, local y nacional)
• Diseño de redes de calidad de aire
• Predicciones de contaminación potencial
• Programas de prevención.
Importancia de los modelos de dispersión (2)
• Cantidad del contaminante emitido
por unidad de tiempo, posición y
altura de la emisión
• Velocidad y dirección de los vientos
dominantes, estabilidad atmosférica,
altura de mezcla
• Comportamiento químico del
contaminante: posibles reacciones,
vida media
Son protocolos matemáticos que proporcionan estimaciones de concentración de un contaminante en
función de una serie de parámetros meteorológicos, químicos, topográficos, de cantidad y velocidad de
emisión
Parámetros de
entrada
Estos modelos se aplican sólo a un contaminante determinado, si se quiere aplicar a varios es necesario aplicar el modelo a cada uno de ellos
Radiosondeo Peru: https://www.youtube.com/watch?v=wZBmlnOyT5U
ONAMET https://www.youtube.com/watch?v=N9Q4LSR-sS0
VAISALA: https://www.youtube.com/watch?v=Km4yqr4kLug
MODELOS DE DISPERSIÓN DE CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS
Curvas de estado: https://www.youtube.com/watch?v=xBW9KQXgmGM
NOAA: https://www.ready.noaa.gov/READYcmet.php
TIPOS PRINCIPALES DE MODELOS DE DISPERSIÓN
MODELOS DE CELDA FIJA (vertidos homogéneos)
Ventajas – Complejidad matemática pequeña
Desventajas – Hipótesis ideales
MODELOS GAUSSIANOS (vertidos puntuales)
V – Dificultad matemática media
D – Hipótesis ideales también
(no hay reacciones químicas)
MODELOS COMBINADOS (celda múltiple, etc..)
V – Introduce las posibles reacciones químicas
D - Se requiere conocer una serie amplia de datos
FUNDAMENTO
Todos los modelos de concentración están basados en balance de materia en el interior de un
determinado volumen de aire:
Variación (derivada) de la concentración de
contaminante con respecto al tiempo
Velocidad de
acumulación
Velocidad de
destrucción
Velocidad de
entrada
Velocidad
de salida
Velocidad de
creación
= +
- -
Entrada
Creación/
Destrucción
Salida
La importancia de las condiciones meteorológicas en el grado de contaminación atmosférica se reconoce observando las
variaciones de la calidad del aire en una zona determinada de unos días a otros, aún cuando las emisiones permanezcan
prácticamente constantes.
Las principales variables meteorológicas a considerar por su influencia sobre la calidad del aire son:
1) El transporte convectivo horizontal, que depende de las velocidades y direcciones del viento
2) El transporte convectivo vertical, que depende de la estabilidad atmosférica
TRANSPORTE CONVECTIVO
http://contaminacionatm.blogspot.com/2012/06/3-transporte-y-dispersion-de.html
Viento condiciona el transporte de contaminantes  dispersión horizontal (determina la zona que va a estar expuesta a los
contaminantes)
Una mayor velocidad del viento reducirá las concentraciones a nivel del suelo, ya que se producirá una mayor dilución y
mezcla.
Cuando el viento no tiene una velocidad suficiente, las plumas de baja densidad tienden a alcanzar grandes elevaciones, con
las consecuentes bajas concentraciones cerca del nivel del suelo.
Excepciones:
 Circulaciones cerradas de viento (Ej. brisas del mar, valle y montaña): contaminantes de la atmósfera se incorporan a la
circulación del viento, lo que produce una acumulación progresiva de contaminantes  aumento de la concentración
 Los vientos fuertes inciden perpendicularmente a crestas montañosas, valles o edificios altos  los efectos
aerodinámicos de estos obstáculos pueden impedir la dispersión de contaminantes, acumulándolos en determinadas
zonas.
TRANSPORTE CONVECTIVO HORIZONTAL
Para el análisis de la estabilidad de la atmósfera se introduce el llamado
Gradiente adiabático del aire seco (γ):
Para el aire, el calor molar a presión constante, cp = 0.24 cal K-1 g-1 y la aceleración de la
gravedad vale 9. 8 m s-2, por lo que el valor de g es:
Es decir, la temperatura de una masa de aire seco disminuye en 1ºC por cada 100 m.
que ascendemos en la atmósfera
La existencia de corrientes verticales (atmósfera inestable o estable) se deduce de la
comparación entre:
 
 
 

dT g
= - =
dz c
p
𝛾 =
9.8
m
s2
0.24
cal
g º𝐶
1 cal
4.18 J
1 J
kg
m2
s2
1 kg
103 g
= 9.8 ∗ 10−3
º𝐶
m
=
9.8 𝐶
1000 m
≅
1 º𝐶
100 m
γ = 1ºC/100 m
 gradiente adiabático seco (γ) (variación de temperatura de una masa ascendente de
aire)
 gradiente vertical ambiental (gradiente real de temperatura del aire circundante)
El grado de inestabilidad depende de la magnitud de las diferencias entre los gradientes
verticales ambiental y adiabático seco.
TRANSPORTE CONVECTIVO VERTICAL
100
200
300
29
28
27
(α)
(α)
ESTABILIDAD ATMOSFERICA
Atmósfera Estable
En cada altura, el aire ascendente (gradiente vertical
adiabático seco, γ) está a menor temperatura que el
circundante (gradiente vertical ambiental) y vuelve a bajar
Atmósfera Inestable
El aire ascendente está a mayor temperatura
que el circundante: sigue subiendo
(γ)
(γ)
•Analogía entre la porción de aire que sube en la atmósfera y un globo
•Un globo se infla con aire a 20 °C en el nivel del suelo y luego sube hasta una altura de 1 km de forma que el aire
del globo se expande y se enfría, por ejemplo hasta unos 10 °C
•El movimiento del globo depende de la densidad del aire circundante (función de T)
En "A", el globo a 1 km de altura se encuentra con un entorno a 5 ºC y se
elevará porque permanece más cálido y por tanto menos denso que el aire
circundante.
En "B", el globo se encuentra con un entorno a 13 ºC, descenderá porque
está más frío y más denso.
En "C", no se moverá porque tiene la misma temperatura (y densidad) que
el aire circundante.
ESTABILIDAD ATMOSFERICA
El ascenso de las plumas de alta temperatura la causa casi en su totalidad
la flotación debida a la más alta temperatura de los gases.
La inversión de T fija
H
H
•En un diagrama adiabático, el punto en el que la porción de aire que se enfría en el gradiente vertical adiabático seco
corta a la "línea" perfil de temperatura ambiental se conoce como altura de mezcla y es el nivel máximo al que la
porción de aire puede ascender.
•Cuando no se produce ninguna intersección, la altura de mezcla, H, se puede extender a mayores alturas en la
atmósfera.
1
El aire que se encuentra bajo la altura de mezcla conforma
la capa de mezclado y mientras más alta sea esta capa,
mayor será el volumen de aire disponible para la
dispersión de los contaminantes.
En un estrato de inversión térmica (la temperatura
aumenta con la altura) se da la situación de máxima
estabilidad y equivale a la existencia de una “barrera” que
impide la dispersión de los contaminantes y determina la
“altura de mezclado” (H).
ALTURA DE MEZCLA
(γ)
(α)
DIAGRAMAS TERMODINÁMICOS (DT)
El DT es usado para representar el estado termodinámico de una porción de la atmósfera definida por tres
variables: presión, temperatura y humedad (proporcionadas por un radiosonda) o por otras variables de las que
dependa ese estado. Por lo tanto; es una herramienta para predecir el tiempo severo obteniendo parámetros de
temperatura y humedad a través de técnicas gráficas. Mediante este tipo de diagramas se pueden conocer las
características termodinámicas de la masa de aire, su grado de estabilidad y pronosticar altura de las nubes.
Algunos autores restringen el uso de este término a aquellos diagramas en que áreas iguales representan energías
iguales.
Existen diferentes tipos de diagramas termodinámicos. Un diagrama termodinámico completo debe tener las
siguientes curvas:
● Isobaras (líneas de presión constante)
● Isotermas (líneas de temperatura constante)
● Adiabáticas secas
● Adiabáticas húmedas o saturadas
● Líneas de relación de mezcla de saturación constantes (isohumas)
El DT Permiten determinar y cuantificar:
• La estabilidad atmosférica
• Capas de nubes
• Altura de la tropopausa
• Temperatura del tope de las nubes
• Zonas frontales
• Cortante vertical de viento
• Ubicación de inversiones térmicas
• Tipos de precipitación
• Altura del nivel de congelamiento
Propiedades de los diagramas termodinámicos:
• Área proporcional a la energía
• Coordenada vertical proporcional a la altura
• Adiabáticas secas forman ángulos cercanos al recto con las isotermas.
• Adiabáticas saturadas forman un ángulo mayor que las adiabáticas secas en la baja atmósfera.
DIAGRAMAS TERMODINÁMICOS (DT)
http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html
Atmospheric Soundings
En los MD (modelos de dispersión) mas completos es necesario indicar el tipo de atmósfera en que se produce el
proceso de dispersión. Tabla 1: Clases de atmósfera según su estabilidad (Turner)
* La noche se define como el período desde una hora después de la puesta de sol,
hasta una hora antes de la salida del mismo.
** Nubosidad expresada en octavos de bóveda celeste cubierta por nubes
Para cielos totalmente cubiertos, tanto para el día como para la noche, debe
asumirse clase de estabilidad D
Viento de Día Noche*
superficie Radiación solar (W m-2)
(m s-1) Fuerte Moderada Débil Nubes** 4/8 Nubes**< 3/8
(a 10 m de altura) > 580 (1) 290 -580 (2) <290 (3) (4) (5)
0-2 A A-B B E F
2-3 A-B B C E F
3-5 B B-C C D E
5-6 C C-D D D D
 6 C D D D D
Categoría Estabilidad
A Extremadamente inestable
B Moderadamente inestable
C Ligeramente inestable
D Neutra
E Ligeramente estable
F Moderadamente estable
OTROS MÉTODOS PARA ESTIMAR LA ESTABILIDAD
Uno de los métodos de estimar la estabilidad y el grado de turbulencia útiles en aquellos problemas relacionados con la
difusión de contaminantes es el método propuesto por Pasquill.
Indices de estabilidad de Pasquill
Inversión
Isoterma
F
E
C
D
B
A
Inestable
Estable
z
T
Gradiente de temperaturas según la clase de atmósfera
Clase (1): Cielos despejados, a una altura solar de 60º sobre el horizonte, típico de una tarde soleada de
verano. Atmósfera muy convectiva.
Clase (2): Altura solar entre 35º y 60º - Un día de verano con algunas nubes dispersas.
Clase (3): Típico de una tarde de otoño soleada, un día de verano con nubes bajas dispersas o también de un
día con cielos despejados y una altura del sol de 15º a 35º.
Clase (4,5): Aunque corresponde a una atmósfera nocturna, se puede usar también para un día de invierno.
TIPO DE ATMOSFERA
Gráficas cuyo objetivo es la
estimación de los valores de sy y sz
Los valores de sz tienen mayor
error que los de sy sobre todo para
distancias superiores a 1 km en la
dirección del viento
¡¡ Distancia x  km
sy , sz  m !!
2
1
Método Gráfico
Las curvas de Pasquill-Gifford
Coeficiente
de
dispersión
lateral,
s
y
(m)
Distancia x (km)
0.1 1 10 100
102
10
103
104
A  Extremadamente inestable
B  Moderadamente inestable
C  Ligeramente inestable
D  Neutra
E  Ligeramente estable
F  Moderadamente estable
Curvas de Pasquill-Gifford
F
A
C
B
D E
Amplitud del penacho, sz,
para una distancia x dada:
sz Máxima

inestabilidad atmosférica
máxima (A)
sz Mínima

atmósfera muy estable (F)
¡¡ Distancia x  km
sy , sz  m !!
Método Gráfico
Curvas de Pasquill - Gifford
Coeficiente
de
dispersión
vertical,
s
z
(m)
Distancia x (km)
0.1 1 10 100
102
10
103
Curvas de Pasquill-Gifford
x
sz Máx  A (Inestable)
sz Mín  F (Estable)
A
B
C
D
E
F
Es la diferencia entre la altura de la línea central final del penacho y la altura inicial de la fuente.
Es directamente proporcional al contenido calorífico y a la velocidad de salida del efluente e inversamente
proporcional a la velocidad del viento.
Existen varios métodos para determinar la elevación del penacho y una de las fórmulas más empleadas
para el cálculo de esta elevación es la formula de Holland:
25
 
 

 
 
 
s
p s
h
h a
s
V d k
Δh = n+ = Q c T - T
u V
Q
Q
d
ELEVACIÓN DE LA PLUMA O PENACHO (∆h)
∆h = Elevación del penacho(m)
Vs = Velocidad de salida del contaminante(m s-1)
d = Diámetro interno del ducto de emisión (m)
u = Velocidad del viento (m s-1)
n = Constante adimensional = 1.5
k = Constante = 0.0096 m2 kJ-1
Qh = Tasa emisión de calor de la chimenea(kJ s-1)
Q = Tasa emisión de gas (kg s-1)
cp = Calor específico del gas emitido(kJ kg-1 K-1)
Ts, = Temperaturas del gas emitido (Kº)
Ta = Temperatura del aire (Kº)
Los valores de ∆h obtenidos con la fórmula de Holland deben corregirse multiplicando por un factor,
establecido por Pasquill-Gifford-Turner y que es función de las condiciones meteorológicas
También se utiliza la ecuación de Carson y Moses para el cálculo de esta elevación:
Categorías de
estabilidad
Factor de corrección
de Dh
A, B 1.15
C 1.10
D 1.00
E, F 0.85
2
6
h
s
Q
V d
Δh = -0.029 +2.62
u u
FACTOR DE CORRECION DE ∆h
Perfil de velocidades del viento
Si no se dispone del dato de la velocidad del viento a la altura efectiva de la chimenea, H, sino que sólo se conoce la velocidad, uref,
a una altura de referencia href (las medidas estándar de velocidad de viento son a 2 y 10 m de altura), se utiliza la expresión de la
variación del viento con la altura en la atmósfera
Los valores del coeficiente p como función de la clase de estabilidad y el entorno en que se mueve el viento son los siguientes:
 
 
 
 
p
ref
ref
H
u =u
h
2
7
Categoría de
Estabilidad
Exponente para
Medio rural
Exponente para
Medio Urbano
A, B 0.07 0.15
C 0.10 0.20
D 0.15 0.25
E 0.35 0.40
F 0.55 0.60
EVOLUCIÓN DEL GRADIENTE DE TEMPERATURA A LO LARGO DEL DÍA
Altura
sobre
el
suelo
Temperatura
Altura máxima de mezcla
Promedios: hasta 1000 m (invierno) o 2000 m (verano)
Límite de estabilidad
(200 – 500 m)
noche
mañana
tarde
Noche: inversión térmica
(atmósfera estable, sin mezclado)
Mañana: se disuelve la inversión desde
las capas más bajas
Tarde: atmósfera inestable
Sobrecalentamiento de las capas bajas
y ascensión de columnas de aire caliente
Mezcla completa del aire hasta cierta altura
(altura máxima de mezcla)
La manera más común de dispersar los contaminantes del aire es a
través de una chimenea. La chimenea es una estructura que se ve
comúnmente en la mayoría de industrias.
Una chimenea dispersa los contaminantes antes de que lleguen a las
poblaciones. Mientras más alta sea la chimenea, mayor será la
probabilidad de que los contaminantes se dispersen y diluyan antes de
afectar a las poblaciones vecinas.
LA CHIMENEA COMO MEDIO DE DISPERSION
Mientras más corta sea la chimenea, mayor será la probabilidad de que
la pluma esté afectada por la "cavidad" formada por el edificio próximo
a la chimenea.
Las condiciones inestables en la atmósfera producirán una pluma
“ondulante”, mientras que las estables harán que la pluma sea “recta”.
Los contaminantes emitidos por las chimeneas pueden transportarse a largas distancias. En
general, la concentración de contaminantes disminuye a medida que se alejan del punto de
descarga y son dispersados por el viento y otras fuerzas naturales.
Dispersión de un penacho de contaminantes en una atmósfera estable (panel de la izquierda) y
en una atmósfera inestable (panel de la derecha). En ambos casos se indica la dirección del
viento por una flecha).
LA CHIMENEA COMO MEDIO DE DISPERSION
La altura final de la pluma, conocida como altura efectiva de chimenea (H), es la suma de la
altura física de la chimenea (hs) y la elevación de la pluma. La elevación de la pluma depende de
las características físicas de la chimenea y del efluente (gas de chimenea).
La diferencia de temperatura entre el gas de la chimenea (Ts) y el aire ambiental (Ta) determina la
densidad de la pluma, que influye en su elevación.
Xo
CÁLCULO DE LA ALTURA EFECTIVA DE LA CHIMENEA (H)
CÁLCULO DE LA ALTURA EFECTIVA DE LA CHIMENEA (H)
Donde:
H= altura efectiva de la chimenea (m)
hs= Altura física de la chimenea (m)
∆𝑕= Elevación de la pluma o penacho
𝑓𝑜= Parámetro de flotación
Xo = Distancia al foco fijo de emisión
𝑢= Velocidad del viento (m/s)
Ts= Temperatura de los gases de salida de la chimenea (ºK)
Ta= Temperatura del aire circundante (ºK)
Vs= Velocidad de salida del contaminante (m/s)
d= Diámetro de la chimenea (m)
Xo
𝑉𝑠
𝑢
𝐻 = 𝑕s+ ∆𝑕
∆𝑕 =
1.6 . 𝑒
𝑙𝑛 𝑓𝑜
3 . 𝑒
2𝑙𝑛 3.5 .𝑋𝑜
3
𝑢
….ecuac 01
….ecuac 02
𝑓𝑜 = 3.12 × 0.785 × 𝑉𝑠 × 𝑑2
𝑇𝑠 − 𝑇𝑎
𝑇𝑠
….ecuac 03
𝑓𝑜 > 5.5
𝑓𝑜 < 5.5
𝑋𝑜 = 34 × 𝑒0.4×𝑙𝑛 𝑓𝑜
𝑋𝑜 = 14 × 𝑒0.625×𝑙𝑛 𝑓𝑜
Xo
CÁLCULO DE LA ALTURA EFECTIVA DE LA CHIMENEA (H)
PROBLEMA TIPO DE CÁLCULO DE LA ALTURA EFECTIVA DE LA CHIMENEA (H)
1) Calcular la altura efectiva de la chimenea para garantizar la dispersión máxima de los contaminantes
atmosféricos, sabiendo los siguientes datos.
Características de la fuente
Hora d(m) Vs (m/s) ts(ºC) hs(m)
6:00 -18:00 0.8 9.4 280 30
Características ambientales
Dirección
del viento
u(m/s) ta (ºC) Nubosidad Radiación
solar
Hacia el
oriente
5.6 28 3/8 fuerte
𝑓𝑜 = 3.12 × 0.785 × 9.4 × 0.82
553.15 − 301.15
553.15
𝑓𝑜 > 5.5
𝑋𝑜 = 34 × 𝑒0.4×𝑙𝑛 𝑓𝑜
Ts = 280 + 273.15 = 553.15ºk
Ta= 28 + 273.15 = 301.15ºK
𝒇𝒐 = 6.71
𝑋𝑜 = 34 × 𝑒0.4×𝑙𝑛 6.71
Xo = 72.8 m
PROBLEMA TIPO DE CÁLCULO DE LA ALTURA EFECTIVA DE LA CHIMENEA (H)
Solución:
Xo
∆𝑕 =
1.6 . 𝑒
𝑙𝑛 𝑓𝑜
3 . 𝑒
2𝑙𝑛 3.5 .𝑋𝑜
3
𝑢
∆𝑕 =
1.6 . 𝑒
𝑙𝑛 6.71
3 . 𝑒
2𝑙𝑛 3.5 𝑥 72.8
3
5.6
∆𝑕 = 21.58 m
𝐻 = 30 𝑚 + 21.58 𝑚 𝐻 = 51.58 𝑚
𝑓𝑜 = 3.12 × 0.785 × 𝑉𝑠 × 𝑑2
𝑇𝑠 − 𝑇𝑎
𝑇𝑠
𝐻 = 𝑕s+ ∆𝑕
Hora d(m) Vs (m/s) ts(ºC) hs(m)
6:00 -18:00 1.2 12.8 320 45
Características ambientales
Dirección
del viento
u(m/s) ta (ºC) Nubosidad Radiación
solar
Hacia el
oriente
4.2 19.5 2/8 fuerte
PROBLEMA TIPO DE CÁLCULO DE LA ALTURA EFECTIVA DE LA CHIMENEA (H)
1) Calcular la altura efectiva de la chimenea para garantizar la dispersión máxima de los contaminantes
atmosféricos, sabiendo los siguientes datos.
Características de la fuente
https://www.youtube.com/watch?v=MNvDw0mO3LE
https://www.youtube.com/watch?v=zo0Qu6UijLo
https://www.youtube.com/watch?v=egPVGgB3M3U
https://www.youtube.com/watch?v=akjpuUNTTCU
https://www.youtube.com/watch?v=qi0P0xSqiws
https://www.youtube.com/watch?v=3McvXt2ZnbA
https://www.youtube.com/watch?v=ewxrbsWsSgg
Vs, Ts
u, Ta
Para impedir la deflexión descendente de la pluma a la
salida de la chimenea:
hs
𝑉
𝑠
𝑢
> 2
Representación esquemática de una pluma gaussiana (Fuente:
Turner 1970)
∆h
z = Dirección vertical
x = Distancia en dirección del viento
y = Dirección ortogonal al plano xz
∆h = Elevación de la pluma o penacho
hs = Altura de chimenea
H = Altura efectiva = hs + ∆h
Doble distribución gaussiana en las
direcciones y - z
El coeficiente de dispersión se mide en metros e indica cuánto se ha dispersado la masa inicial cuando la pluma alcanzan una
distancia dada desde la fuente de emisión
hs
Objetivo: ¿cuál es la concentración a cierta distancia de la fuente?
 Un modelo gaussiano parte de una hipótesis y si las condiciones reales se alejan mucho de ellas, sus estimaciones se hacen
poco precisas.
 Es útil para estimar la concentración de un contaminante para distancias ~ 20 km.
 No sirve para problemas como la lluvia ácida, que implican cientos de km.
 El modelo se basa en la resolución de la ecuación de difusión atmosférica.
 Aunque el modelo gaussiano se aplica a una fuente puntual (chimenea), puede ser usado para considerar fuentes lineales
(carreteras), o fuentes superficiales (que se modelan como un gran número de fuentes puntuales)
41
caliente
h
1.5h
https://slideplayer.es/slide/5261939/
𝑿𝒐 𝒅𝒊𝒔𝒕𝒂𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒂𝒍 𝒇𝒐𝒄𝒐 𝒇𝒊𝒋𝒐 𝒅𝒆 𝒆𝒎𝒊𝒔𝒊ó𝒏
𝑯 = 𝒉s+ ∆𝒉
𝑓𝑜 = 𝑔. 𝑉
𝑠. 𝑑2
.
𝑇𝑠 − 𝑇𝑎
4. 𝑇𝑠
𝑓𝑚 = 𝑉
𝑠
2𝑑2
𝑇𝑎
4. 𝑇𝑠
𝑆 =
𝑔
𝑇𝑎
𝑑𝜃
𝑑𝑍
𝑓𝑚= Parámetro de impulso
Donde:
H= altura efectiva de la chimenea (m)
hs= Altura de la chimenea (m)
∆𝑕= Elevación de la pluma o penacho
𝑓𝑜= Parámetro de flotación
Xo = Distancia al foco fijo de emisión
𝑢= Velocidad del viento (m/s)
Ts= Temperatura de los gases de salida de la chimenea (ºK)
Ta= Temperatura del aire circundante (ºK)
Vs= Velocidad de salida del contaminante (m/s)
d= Diámetro de la chimenea (m)
𝑓𝑜= Parámetro de flotación
S= Parámetro de estabilidad
Datos:
ta= 28ºC
ts= 120ªC
d= 4.8 m
Vs= 2.7m/s
u= 1.8 m/s
Calculo de los flujos por flotación 𝒇𝒐 (m4/S3) impulso inicial 𝒇𝒎 (m4/S2) y
parámetro de estabilidad
𝑆 = 0.02𝑥
𝑔
𝑇𝑎
K/m para estabilidad de clase E
𝑆 = 0.035𝑥
𝑔
𝑇𝑎
K/m para estabilidad de clase F
Si:
S= 0 atmosfera neutral
S> 0 atmosfera estable
S< 0 atmosfera inestable
𝑋𝑡 = 49𝑓𝑜
5
8
∆𝑕 = 21.425
𝑓𝑜
3
4
𝑢
∆𝑕 = 1.6
𝑓𝑜
1
3. 𝑋𝑡
2
3
𝑢
Donde:
∆𝑕= Elevación de la pluma o penacho
𝑓𝑜= Parámetro de flotación
𝑓𝑚= Parámetro de impulso
S = Parámetro de estabilidad
Xo = Distancia al foco fijo de emisión
Xt = Distancia terminal
𝑢= Velocidad del viento (m/s)
d= Diámetro de la chimenea (m)
𝑓𝑜 < 55
𝑓𝑜 > 55
𝑋𝑡 = 119𝑓𝑜
2
5
∆𝑕 = 38.71
𝑓𝑜
3
5
𝑢
∆𝑕 = 1.6
𝑓𝑜
1
3. 𝑋𝑡
2
3
𝑢
a)
b)
𝑆𝑖: 𝑋𝑜 ≥ 𝑋𝑡
𝑆𝑖: 𝑋𝑜 < 𝑋𝑡
𝑆𝑖: 𝑋𝑜 ≥ 𝑋𝑡
𝑆𝑖: 𝑋𝑜 < 𝑋𝑡
2a. Ascenso por flotación, calculo de la distancia terminal Xt y el ascenso Δh
Categorías de estabilidad atmosféricas inestables A - D
𝑋𝑡 = 2.0715
𝑢
𝑆
1
2
∆𝑕 = 2.6
𝑓𝑜
𝑢. 𝑆
1
3
∆𝑕 = 1.6
𝑓𝑜
1
3. 𝑋𝑡
2
3
𝑢
Donde:
∆𝑕= Elevación de la pluma o penacho
𝑓𝑜= Parámetro de flotación
𝑓𝑚= Parámetro de impulso
S = Parámetro de estabilidad
Xo = Distancia al foco fijo de emisión
Xt = Distancia terminal
𝑢= Velocidad del viento (m/s)
d= Diámetro de la chimenea (m)
La atmosfera es muy estable con categoría de Pasquil F
La atmosfera es muy estable con categoría de Pasquil E
2b. Ascenso por flotación, calculo de la distancia terminal Xt y el ascenso Δh
Categorías de estabilidad atmosféricas estables E - F
𝑆𝑖: 𝑋𝑜 ≥ 𝑋𝑡
𝑆𝑖: 𝑋𝑜 < 𝑋𝑡
∆𝑕 =3.
𝑑𝑠𝑉𝑠
𝑢
∆𝑕 =1.5
𝑓𝑚
𝑢.𝑠
1
2
1
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3a. Ascenso por impulso Δh
Categorías de estabilidad atmosféricas estables E - F
𝑆𝑖: 𝑋𝑜 ≥ 𝑋𝑡
a) Categorías de estabilidad atmosféricas inestables A - D
a) Categorías de estabilidad atmosféricas estables E- F
LINKS DE MONITOREO DE EMISIONES
https://www.youtube.com/results?search_query=epa+5+particulate+emission+measurement
https://www.youtube.com/watch?v=W9MZgomwVHU
https://www.youtube.com/watch?v=uMVW6pVa9QI
https://www.youtube.com/watch?v=uMVW6pVa9QI&t=503s
https://www.youtube.com/watch?v=joCPI8knRiM
Radiosondeo Peru: https://www.youtube.com/watch?v=wZBmlnOyT5U
ONAMET https://www.youtube.com/watch?v=N9Q4LSR-sS0
VAISALA: https://www.youtube.com/watch?v=Km4yqr4kLug
TUTORIALES DE SONDEOS ATMOSFERICOS
Curvas de estado: https://www.youtube.com/watch?v=xBW9KQXgmGM
NOAA: https://www.ready.noaa.gov/READYcmet.php
Tutorial sondeo atmosférico 1: https://www.youtube.com/watch?v=Qa316IE25wM
Tutorial de sondeo atmosférico 2: https://www.youtube.com/watch?v=GlODgHq_iB4
Tutorial de sondeo atmosférico 3: https://www.youtube.com/watch?v=_klYtabjmE8
Tutorial de sondeo atmosférico 4: https://www.youtube.com/watch?v=hE363ueHOrg
Tutorial de windy 1: https://www.youtube.com/watch?v=8LWusDxCHbo
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  • 1. Ing. Luis Gamarra Chavarry DISPERSIÓN DE LOS CONTAMINANTES EN LA ATMÓSFERA Modelo gaussiano de dispersión, coeficientes de dispersión lateral, concentración máxima en línea a nivel del suelo. Mg. Ing. Luis Gamarra Chavarry Ingeniero Geógrafo – Economista
  • 2.  Modelos de dispersión  Influencia de los procesos meteorológicos en la contaminación atmosférica  Estabilidad atmosférica  Clases de atmósfera según su estabilidad  Modelos de celda fija estacionaria y no estacionaria  Modelo gaussiano para contaminantes que no reaccionan. MODELOS DE DISPERSIÓN DE CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS
  • 3. •Prevención y cuantificación del impacto ambiental •Aportación: • se pueden obtener resultados con anticipación • son el instrumento más válido en la decisión de la planificación y en la adopción de medidas correctoras •Objetivo : integrar todos los elementos que inciden en la calidad del aire • condiciones meteorológicas • característica de la fuente • química de los contaminantes • influencia de la topografía, orografía, etc •Finalidad : adecuar las medidas correctoras (económica y técnicas) Importancia de los modelos de dispersión (1)
  • 4. • Evaluaciones de Impacto de uno o varios focos de CA de carácter puntual, lineal o superficial existentes o previstos • Optimización de alturas de chimeneas para instalaciones industriales • Estudios de contaminación de fondo • Planificación urbana e industrial (escala regional, local y nacional) • Diseño de redes de calidad de aire • Predicciones de contaminación potencial • Programas de prevención. Importancia de los modelos de dispersión (2)
  • 5. • Cantidad del contaminante emitido por unidad de tiempo, posición y altura de la emisión • Velocidad y dirección de los vientos dominantes, estabilidad atmosférica, altura de mezcla • Comportamiento químico del contaminante: posibles reacciones, vida media Son protocolos matemáticos que proporcionan estimaciones de concentración de un contaminante en función de una serie de parámetros meteorológicos, químicos, topográficos, de cantidad y velocidad de emisión Parámetros de entrada Estos modelos se aplican sólo a un contaminante determinado, si se quiere aplicar a varios es necesario aplicar el modelo a cada uno de ellos Radiosondeo Peru: https://www.youtube.com/watch?v=wZBmlnOyT5U ONAMET https://www.youtube.com/watch?v=N9Q4LSR-sS0 VAISALA: https://www.youtube.com/watch?v=Km4yqr4kLug MODELOS DE DISPERSIÓN DE CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS Curvas de estado: https://www.youtube.com/watch?v=xBW9KQXgmGM NOAA: https://www.ready.noaa.gov/READYcmet.php
  • 6. TIPOS PRINCIPALES DE MODELOS DE DISPERSIÓN MODELOS DE CELDA FIJA (vertidos homogéneos) Ventajas – Complejidad matemática pequeña Desventajas – Hipótesis ideales MODELOS GAUSSIANOS (vertidos puntuales) V – Dificultad matemática media D – Hipótesis ideales también (no hay reacciones químicas) MODELOS COMBINADOS (celda múltiple, etc..) V – Introduce las posibles reacciones químicas D - Se requiere conocer una serie amplia de datos
  • 7.
  • 8. FUNDAMENTO Todos los modelos de concentración están basados en balance de materia en el interior de un determinado volumen de aire: Variación (derivada) de la concentración de contaminante con respecto al tiempo Velocidad de acumulación Velocidad de destrucción Velocidad de entrada Velocidad de salida Velocidad de creación = + - - Entrada Creación/ Destrucción Salida
  • 9. La importancia de las condiciones meteorológicas en el grado de contaminación atmosférica se reconoce observando las variaciones de la calidad del aire en una zona determinada de unos días a otros, aún cuando las emisiones permanezcan prácticamente constantes. Las principales variables meteorológicas a considerar por su influencia sobre la calidad del aire son: 1) El transporte convectivo horizontal, que depende de las velocidades y direcciones del viento 2) El transporte convectivo vertical, que depende de la estabilidad atmosférica TRANSPORTE CONVECTIVO http://contaminacionatm.blogspot.com/2012/06/3-transporte-y-dispersion-de.html
  • 10. Viento condiciona el transporte de contaminantes  dispersión horizontal (determina la zona que va a estar expuesta a los contaminantes) Una mayor velocidad del viento reducirá las concentraciones a nivel del suelo, ya que se producirá una mayor dilución y mezcla. Cuando el viento no tiene una velocidad suficiente, las plumas de baja densidad tienden a alcanzar grandes elevaciones, con las consecuentes bajas concentraciones cerca del nivel del suelo. Excepciones:  Circulaciones cerradas de viento (Ej. brisas del mar, valle y montaña): contaminantes de la atmósfera se incorporan a la circulación del viento, lo que produce una acumulación progresiva de contaminantes  aumento de la concentración  Los vientos fuertes inciden perpendicularmente a crestas montañosas, valles o edificios altos  los efectos aerodinámicos de estos obstáculos pueden impedir la dispersión de contaminantes, acumulándolos en determinadas zonas. TRANSPORTE CONVECTIVO HORIZONTAL
  • 11. Para el análisis de la estabilidad de la atmósfera se introduce el llamado Gradiente adiabático del aire seco (γ): Para el aire, el calor molar a presión constante, cp = 0.24 cal K-1 g-1 y la aceleración de la gravedad vale 9. 8 m s-2, por lo que el valor de g es: Es decir, la temperatura de una masa de aire seco disminuye en 1ºC por cada 100 m. que ascendemos en la atmósfera La existencia de corrientes verticales (atmósfera inestable o estable) se deduce de la comparación entre:        dT g = - = dz c p 𝛾 = 9.8 m s2 0.24 cal g º𝐶 1 cal 4.18 J 1 J kg m2 s2 1 kg 103 g = 9.8 ∗ 10−3 º𝐶 m = 9.8 𝐶 1000 m ≅ 1 º𝐶 100 m γ = 1ºC/100 m  gradiente adiabático seco (γ) (variación de temperatura de una masa ascendente de aire)  gradiente vertical ambiental (gradiente real de temperatura del aire circundante) El grado de inestabilidad depende de la magnitud de las diferencias entre los gradientes verticales ambiental y adiabático seco. TRANSPORTE CONVECTIVO VERTICAL 100 200 300 29 28 27 (α) (α)
  • 12. ESTABILIDAD ATMOSFERICA Atmósfera Estable En cada altura, el aire ascendente (gradiente vertical adiabático seco, γ) está a menor temperatura que el circundante (gradiente vertical ambiental) y vuelve a bajar Atmósfera Inestable El aire ascendente está a mayor temperatura que el circundante: sigue subiendo (γ) (γ)
  • 13. •Analogía entre la porción de aire que sube en la atmósfera y un globo •Un globo se infla con aire a 20 °C en el nivel del suelo y luego sube hasta una altura de 1 km de forma que el aire del globo se expande y se enfría, por ejemplo hasta unos 10 °C •El movimiento del globo depende de la densidad del aire circundante (función de T) En "A", el globo a 1 km de altura se encuentra con un entorno a 5 ºC y se elevará porque permanece más cálido y por tanto menos denso que el aire circundante. En "B", el globo se encuentra con un entorno a 13 ºC, descenderá porque está más frío y más denso. En "C", no se moverá porque tiene la misma temperatura (y densidad) que el aire circundante. ESTABILIDAD ATMOSFERICA El ascenso de las plumas de alta temperatura la causa casi en su totalidad la flotación debida a la más alta temperatura de los gases.
  • 14. La inversión de T fija H H •En un diagrama adiabático, el punto en el que la porción de aire que se enfría en el gradiente vertical adiabático seco corta a la "línea" perfil de temperatura ambiental se conoce como altura de mezcla y es el nivel máximo al que la porción de aire puede ascender. •Cuando no se produce ninguna intersección, la altura de mezcla, H, se puede extender a mayores alturas en la atmósfera. 1 El aire que se encuentra bajo la altura de mezcla conforma la capa de mezclado y mientras más alta sea esta capa, mayor será el volumen de aire disponible para la dispersión de los contaminantes. En un estrato de inversión térmica (la temperatura aumenta con la altura) se da la situación de máxima estabilidad y equivale a la existencia de una “barrera” que impide la dispersión de los contaminantes y determina la “altura de mezclado” (H). ALTURA DE MEZCLA (γ) (α)
  • 15. DIAGRAMAS TERMODINÁMICOS (DT) El DT es usado para representar el estado termodinámico de una porción de la atmósfera definida por tres variables: presión, temperatura y humedad (proporcionadas por un radiosonda) o por otras variables de las que dependa ese estado. Por lo tanto; es una herramienta para predecir el tiempo severo obteniendo parámetros de temperatura y humedad a través de técnicas gráficas. Mediante este tipo de diagramas se pueden conocer las características termodinámicas de la masa de aire, su grado de estabilidad y pronosticar altura de las nubes. Algunos autores restringen el uso de este término a aquellos diagramas en que áreas iguales representan energías iguales. Existen diferentes tipos de diagramas termodinámicos. Un diagrama termodinámico completo debe tener las siguientes curvas: ● Isobaras (líneas de presión constante) ● Isotermas (líneas de temperatura constante) ● Adiabáticas secas ● Adiabáticas húmedas o saturadas ● Líneas de relación de mezcla de saturación constantes (isohumas)
  • 16. El DT Permiten determinar y cuantificar: • La estabilidad atmosférica • Capas de nubes • Altura de la tropopausa • Temperatura del tope de las nubes • Zonas frontales • Cortante vertical de viento • Ubicación de inversiones térmicas • Tipos de precipitación • Altura del nivel de congelamiento Propiedades de los diagramas termodinámicos: • Área proporcional a la energía • Coordenada vertical proporcional a la altura • Adiabáticas secas forman ángulos cercanos al recto con las isotermas. • Adiabáticas saturadas forman un ángulo mayor que las adiabáticas secas en la baja atmósfera. DIAGRAMAS TERMODINÁMICOS (DT)
  • 18. En los MD (modelos de dispersión) mas completos es necesario indicar el tipo de atmósfera en que se produce el proceso de dispersión. Tabla 1: Clases de atmósfera según su estabilidad (Turner) * La noche se define como el período desde una hora después de la puesta de sol, hasta una hora antes de la salida del mismo. ** Nubosidad expresada en octavos de bóveda celeste cubierta por nubes Para cielos totalmente cubiertos, tanto para el día como para la noche, debe asumirse clase de estabilidad D Viento de Día Noche* superficie Radiación solar (W m-2) (m s-1) Fuerte Moderada Débil Nubes** 4/8 Nubes**< 3/8 (a 10 m de altura) > 580 (1) 290 -580 (2) <290 (3) (4) (5) 0-2 A A-B B E F 2-3 A-B B C E F 3-5 B B-C C D E 5-6 C C-D D D D  6 C D D D D Categoría Estabilidad A Extremadamente inestable B Moderadamente inestable C Ligeramente inestable D Neutra E Ligeramente estable F Moderadamente estable
  • 19. OTROS MÉTODOS PARA ESTIMAR LA ESTABILIDAD Uno de los métodos de estimar la estabilidad y el grado de turbulencia útiles en aquellos problemas relacionados con la difusión de contaminantes es el método propuesto por Pasquill. Indices de estabilidad de Pasquill
  • 20. Inversión Isoterma F E C D B A Inestable Estable z T Gradiente de temperaturas según la clase de atmósfera Clase (1): Cielos despejados, a una altura solar de 60º sobre el horizonte, típico de una tarde soleada de verano. Atmósfera muy convectiva. Clase (2): Altura solar entre 35º y 60º - Un día de verano con algunas nubes dispersas. Clase (3): Típico de una tarde de otoño soleada, un día de verano con nubes bajas dispersas o también de un día con cielos despejados y una altura del sol de 15º a 35º. Clase (4,5): Aunque corresponde a una atmósfera nocturna, se puede usar también para un día de invierno. TIPO DE ATMOSFERA
  • 21. Gráficas cuyo objetivo es la estimación de los valores de sy y sz Los valores de sz tienen mayor error que los de sy sobre todo para distancias superiores a 1 km en la dirección del viento ¡¡ Distancia x  km sy , sz  m !! 2 1 Método Gráfico Las curvas de Pasquill-Gifford Coeficiente de dispersión lateral, s y (m) Distancia x (km) 0.1 1 10 100 102 10 103 104 A  Extremadamente inestable B  Moderadamente inestable C  Ligeramente inestable D  Neutra E  Ligeramente estable F  Moderadamente estable Curvas de Pasquill-Gifford F A C B D E
  • 22.
  • 23. Amplitud del penacho, sz, para una distancia x dada: sz Máxima  inestabilidad atmosférica máxima (A) sz Mínima  atmósfera muy estable (F) ¡¡ Distancia x  km sy , sz  m !! Método Gráfico Curvas de Pasquill - Gifford Coeficiente de dispersión vertical, s z (m) Distancia x (km) 0.1 1 10 100 102 10 103 Curvas de Pasquill-Gifford x sz Máx  A (Inestable) sz Mín  F (Estable) A B C D E F
  • 24.
  • 25. Es la diferencia entre la altura de la línea central final del penacho y la altura inicial de la fuente. Es directamente proporcional al contenido calorífico y a la velocidad de salida del efluente e inversamente proporcional a la velocidad del viento. Existen varios métodos para determinar la elevación del penacho y una de las fórmulas más empleadas para el cálculo de esta elevación es la formula de Holland: 25            s p s h h a s V d k Δh = n+ = Q c T - T u V Q Q d ELEVACIÓN DE LA PLUMA O PENACHO (∆h) ∆h = Elevación del penacho(m) Vs = Velocidad de salida del contaminante(m s-1) d = Diámetro interno del ducto de emisión (m) u = Velocidad del viento (m s-1) n = Constante adimensional = 1.5 k = Constante = 0.0096 m2 kJ-1 Qh = Tasa emisión de calor de la chimenea(kJ s-1) Q = Tasa emisión de gas (kg s-1) cp = Calor específico del gas emitido(kJ kg-1 K-1) Ts, = Temperaturas del gas emitido (Kº) Ta = Temperatura del aire (Kº)
  • 26. Los valores de ∆h obtenidos con la fórmula de Holland deben corregirse multiplicando por un factor, establecido por Pasquill-Gifford-Turner y que es función de las condiciones meteorológicas También se utiliza la ecuación de Carson y Moses para el cálculo de esta elevación: Categorías de estabilidad Factor de corrección de Dh A, B 1.15 C 1.10 D 1.00 E, F 0.85 2 6 h s Q V d Δh = -0.029 +2.62 u u FACTOR DE CORRECION DE ∆h
  • 27. Perfil de velocidades del viento Si no se dispone del dato de la velocidad del viento a la altura efectiva de la chimenea, H, sino que sólo se conoce la velocidad, uref, a una altura de referencia href (las medidas estándar de velocidad de viento son a 2 y 10 m de altura), se utiliza la expresión de la variación del viento con la altura en la atmósfera Los valores del coeficiente p como función de la clase de estabilidad y el entorno en que se mueve el viento son los siguientes:         p ref ref H u =u h 2 7 Categoría de Estabilidad Exponente para Medio rural Exponente para Medio Urbano A, B 0.07 0.15 C 0.10 0.20 D 0.15 0.25 E 0.35 0.40 F 0.55 0.60
  • 28. EVOLUCIÓN DEL GRADIENTE DE TEMPERATURA A LO LARGO DEL DÍA Altura sobre el suelo Temperatura Altura máxima de mezcla Promedios: hasta 1000 m (invierno) o 2000 m (verano) Límite de estabilidad (200 – 500 m) noche mañana tarde Noche: inversión térmica (atmósfera estable, sin mezclado) Mañana: se disuelve la inversión desde las capas más bajas Tarde: atmósfera inestable Sobrecalentamiento de las capas bajas y ascensión de columnas de aire caliente Mezcla completa del aire hasta cierta altura (altura máxima de mezcla)
  • 29.
  • 30. La manera más común de dispersar los contaminantes del aire es a través de una chimenea. La chimenea es una estructura que se ve comúnmente en la mayoría de industrias. Una chimenea dispersa los contaminantes antes de que lleguen a las poblaciones. Mientras más alta sea la chimenea, mayor será la probabilidad de que los contaminantes se dispersen y diluyan antes de afectar a las poblaciones vecinas. LA CHIMENEA COMO MEDIO DE DISPERSION Mientras más corta sea la chimenea, mayor será la probabilidad de que la pluma esté afectada por la "cavidad" formada por el edificio próximo a la chimenea. Las condiciones inestables en la atmósfera producirán una pluma “ondulante”, mientras que las estables harán que la pluma sea “recta”.
  • 31. Los contaminantes emitidos por las chimeneas pueden transportarse a largas distancias. En general, la concentración de contaminantes disminuye a medida que se alejan del punto de descarga y son dispersados por el viento y otras fuerzas naturales. Dispersión de un penacho de contaminantes en una atmósfera estable (panel de la izquierda) y en una atmósfera inestable (panel de la derecha). En ambos casos se indica la dirección del viento por una flecha). LA CHIMENEA COMO MEDIO DE DISPERSION
  • 32. La altura final de la pluma, conocida como altura efectiva de chimenea (H), es la suma de la altura física de la chimenea (hs) y la elevación de la pluma. La elevación de la pluma depende de las características físicas de la chimenea y del efluente (gas de chimenea). La diferencia de temperatura entre el gas de la chimenea (Ts) y el aire ambiental (Ta) determina la densidad de la pluma, que influye en su elevación. Xo CÁLCULO DE LA ALTURA EFECTIVA DE LA CHIMENEA (H)
  • 33. CÁLCULO DE LA ALTURA EFECTIVA DE LA CHIMENEA (H) Donde: H= altura efectiva de la chimenea (m) hs= Altura física de la chimenea (m) ∆𝑕= Elevación de la pluma o penacho 𝑓𝑜= Parámetro de flotación Xo = Distancia al foco fijo de emisión 𝑢= Velocidad del viento (m/s) Ts= Temperatura de los gases de salida de la chimenea (ºK) Ta= Temperatura del aire circundante (ºK) Vs= Velocidad de salida del contaminante (m/s) d= Diámetro de la chimenea (m) Xo 𝑉𝑠 𝑢
  • 34. 𝐻 = 𝑕s+ ∆𝑕 ∆𝑕 = 1.6 . 𝑒 𝑙𝑛 𝑓𝑜 3 . 𝑒 2𝑙𝑛 3.5 .𝑋𝑜 3 𝑢 ….ecuac 01 ….ecuac 02 𝑓𝑜 = 3.12 × 0.785 × 𝑉𝑠 × 𝑑2 𝑇𝑠 − 𝑇𝑎 𝑇𝑠 ….ecuac 03 𝑓𝑜 > 5.5 𝑓𝑜 < 5.5 𝑋𝑜 = 34 × 𝑒0.4×𝑙𝑛 𝑓𝑜 𝑋𝑜 = 14 × 𝑒0.625×𝑙𝑛 𝑓𝑜 Xo CÁLCULO DE LA ALTURA EFECTIVA DE LA CHIMENEA (H)
  • 35. PROBLEMA TIPO DE CÁLCULO DE LA ALTURA EFECTIVA DE LA CHIMENEA (H) 1) Calcular la altura efectiva de la chimenea para garantizar la dispersión máxima de los contaminantes atmosféricos, sabiendo los siguientes datos. Características de la fuente Hora d(m) Vs (m/s) ts(ºC) hs(m) 6:00 -18:00 0.8 9.4 280 30 Características ambientales Dirección del viento u(m/s) ta (ºC) Nubosidad Radiación solar Hacia el oriente 5.6 28 3/8 fuerte
  • 36. 𝑓𝑜 = 3.12 × 0.785 × 9.4 × 0.82 553.15 − 301.15 553.15 𝑓𝑜 > 5.5 𝑋𝑜 = 34 × 𝑒0.4×𝑙𝑛 𝑓𝑜 Ts = 280 + 273.15 = 553.15ºk Ta= 28 + 273.15 = 301.15ºK 𝒇𝒐 = 6.71 𝑋𝑜 = 34 × 𝑒0.4×𝑙𝑛 6.71 Xo = 72.8 m PROBLEMA TIPO DE CÁLCULO DE LA ALTURA EFECTIVA DE LA CHIMENEA (H) Solución: Xo ∆𝑕 = 1.6 . 𝑒 𝑙𝑛 𝑓𝑜 3 . 𝑒 2𝑙𝑛 3.5 .𝑋𝑜 3 𝑢 ∆𝑕 = 1.6 . 𝑒 𝑙𝑛 6.71 3 . 𝑒 2𝑙𝑛 3.5 𝑥 72.8 3 5.6 ∆𝑕 = 21.58 m 𝐻 = 30 𝑚 + 21.58 𝑚 𝐻 = 51.58 𝑚 𝑓𝑜 = 3.12 × 0.785 × 𝑉𝑠 × 𝑑2 𝑇𝑠 − 𝑇𝑎 𝑇𝑠 𝐻 = 𝑕s+ ∆𝑕
  • 37. Hora d(m) Vs (m/s) ts(ºC) hs(m) 6:00 -18:00 1.2 12.8 320 45 Características ambientales Dirección del viento u(m/s) ta (ºC) Nubosidad Radiación solar Hacia el oriente 4.2 19.5 2/8 fuerte PROBLEMA TIPO DE CÁLCULO DE LA ALTURA EFECTIVA DE LA CHIMENEA (H) 1) Calcular la altura efectiva de la chimenea para garantizar la dispersión máxima de los contaminantes atmosféricos, sabiendo los siguientes datos. Características de la fuente
  • 39. Representación esquemática de una pluma gaussiana (Fuente: Turner 1970) ∆h z = Dirección vertical x = Distancia en dirección del viento y = Dirección ortogonal al plano xz ∆h = Elevación de la pluma o penacho hs = Altura de chimenea H = Altura efectiva = hs + ∆h Doble distribución gaussiana en las direcciones y - z El coeficiente de dispersión se mide en metros e indica cuánto se ha dispersado la masa inicial cuando la pluma alcanzan una distancia dada desde la fuente de emisión hs
  • 40.
  • 41. Objetivo: ¿cuál es la concentración a cierta distancia de la fuente?  Un modelo gaussiano parte de una hipótesis y si las condiciones reales se alejan mucho de ellas, sus estimaciones se hacen poco precisas.  Es útil para estimar la concentración de un contaminante para distancias ~ 20 km.  No sirve para problemas como la lluvia ácida, que implican cientos de km.  El modelo se basa en la resolución de la ecuación de difusión atmosférica.  Aunque el modelo gaussiano se aplica a una fuente puntual (chimenea), puede ser usado para considerar fuentes lineales (carreteras), o fuentes superficiales (que se modelan como un gran número de fuentes puntuales) 41
  • 43.
  • 44.
  • 46.
  • 47.
  • 48.
  • 49. https://slideplayer.es/slide/5261939/ 𝑿𝒐 𝒅𝒊𝒔𝒕𝒂𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒂𝒍 𝒇𝒐𝒄𝒐 𝒇𝒊𝒋𝒐 𝒅𝒆 𝒆𝒎𝒊𝒔𝒊ó𝒏 𝑯 = 𝒉s+ ∆𝒉
  • 50. 𝑓𝑜 = 𝑔. 𝑉 𝑠. 𝑑2 . 𝑇𝑠 − 𝑇𝑎 4. 𝑇𝑠 𝑓𝑚 = 𝑉 𝑠 2𝑑2 𝑇𝑎 4. 𝑇𝑠 𝑆 = 𝑔 𝑇𝑎 𝑑𝜃 𝑑𝑍 𝑓𝑚= Parámetro de impulso Donde: H= altura efectiva de la chimenea (m) hs= Altura de la chimenea (m) ∆𝑕= Elevación de la pluma o penacho 𝑓𝑜= Parámetro de flotación Xo = Distancia al foco fijo de emisión 𝑢= Velocidad del viento (m/s) Ts= Temperatura de los gases de salida de la chimenea (ºK) Ta= Temperatura del aire circundante (ºK) Vs= Velocidad de salida del contaminante (m/s) d= Diámetro de la chimenea (m) 𝑓𝑜= Parámetro de flotación S= Parámetro de estabilidad Datos: ta= 28ºC ts= 120ªC d= 4.8 m Vs= 2.7m/s u= 1.8 m/s Calculo de los flujos por flotación 𝒇𝒐 (m4/S3) impulso inicial 𝒇𝒎 (m4/S2) y parámetro de estabilidad 𝑆 = 0.02𝑥 𝑔 𝑇𝑎 K/m para estabilidad de clase E 𝑆 = 0.035𝑥 𝑔 𝑇𝑎 K/m para estabilidad de clase F Si: S= 0 atmosfera neutral S> 0 atmosfera estable S< 0 atmosfera inestable
  • 51. 𝑋𝑡 = 49𝑓𝑜 5 8 ∆𝑕 = 21.425 𝑓𝑜 3 4 𝑢 ∆𝑕 = 1.6 𝑓𝑜 1 3. 𝑋𝑡 2 3 𝑢 Donde: ∆𝑕= Elevación de la pluma o penacho 𝑓𝑜= Parámetro de flotación 𝑓𝑚= Parámetro de impulso S = Parámetro de estabilidad Xo = Distancia al foco fijo de emisión Xt = Distancia terminal 𝑢= Velocidad del viento (m/s) d= Diámetro de la chimenea (m) 𝑓𝑜 < 55 𝑓𝑜 > 55 𝑋𝑡 = 119𝑓𝑜 2 5 ∆𝑕 = 38.71 𝑓𝑜 3 5 𝑢 ∆𝑕 = 1.6 𝑓𝑜 1 3. 𝑋𝑡 2 3 𝑢 a) b) 𝑆𝑖: 𝑋𝑜 ≥ 𝑋𝑡 𝑆𝑖: 𝑋𝑜 < 𝑋𝑡 𝑆𝑖: 𝑋𝑜 ≥ 𝑋𝑡 𝑆𝑖: 𝑋𝑜 < 𝑋𝑡 2a. Ascenso por flotación, calculo de la distancia terminal Xt y el ascenso Δh Categorías de estabilidad atmosféricas inestables A - D
  • 52. 𝑋𝑡 = 2.0715 𝑢 𝑆 1 2 ∆𝑕 = 2.6 𝑓𝑜 𝑢. 𝑆 1 3 ∆𝑕 = 1.6 𝑓𝑜 1 3. 𝑋𝑡 2 3 𝑢 Donde: ∆𝑕= Elevación de la pluma o penacho 𝑓𝑜= Parámetro de flotación 𝑓𝑚= Parámetro de impulso S = Parámetro de estabilidad Xo = Distancia al foco fijo de emisión Xt = Distancia terminal 𝑢= Velocidad del viento (m/s) d= Diámetro de la chimenea (m) La atmosfera es muy estable con categoría de Pasquil F La atmosfera es muy estable con categoría de Pasquil E 2b. Ascenso por flotación, calculo de la distancia terminal Xt y el ascenso Δh Categorías de estabilidad atmosféricas estables E - F 𝑆𝑖: 𝑋𝑜 ≥ 𝑋𝑡 𝑆𝑖: 𝑋𝑜 < 𝑋𝑡
  • 53. ∆𝑕 =3. 𝑑𝑠𝑉𝑠 𝑢 ∆𝑕 =1.5 𝑓𝑚 𝑢.𝑠 1 2 1 3 3a. Ascenso por impulso Δh Categorías de estabilidad atmosféricas estables E - F 𝑆𝑖: 𝑋𝑜 ≥ 𝑋𝑡 a) Categorías de estabilidad atmosféricas inestables A - D a) Categorías de estabilidad atmosféricas estables E- F
  • 54. LINKS DE MONITOREO DE EMISIONES https://www.youtube.com/results?search_query=epa+5+particulate+emission+measurement https://www.youtube.com/watch?v=W9MZgomwVHU https://www.youtube.com/watch?v=uMVW6pVa9QI https://www.youtube.com/watch?v=uMVW6pVa9QI&t=503s https://www.youtube.com/watch?v=joCPI8knRiM
  • 55. Radiosondeo Peru: https://www.youtube.com/watch?v=wZBmlnOyT5U ONAMET https://www.youtube.com/watch?v=N9Q4LSR-sS0 VAISALA: https://www.youtube.com/watch?v=Km4yqr4kLug TUTORIALES DE SONDEOS ATMOSFERICOS Curvas de estado: https://www.youtube.com/watch?v=xBW9KQXgmGM NOAA: https://www.ready.noaa.gov/READYcmet.php Tutorial sondeo atmosférico 1: https://www.youtube.com/watch?v=Qa316IE25wM Tutorial de sondeo atmosférico 2: https://www.youtube.com/watch?v=GlODgHq_iB4 Tutorial de sondeo atmosférico 3: https://www.youtube.com/watch?v=_klYtabjmE8 Tutorial de sondeo atmosférico 4: https://www.youtube.com/watch?v=hE363ueHOrg Tutorial de windy 1: https://www.youtube.com/watch?v=8LWusDxCHbo Tutorial de windy 2https://www.youtube.com/watch?v=lqmRwWzwhEw Tutorial de windy 3: https://www.youtube.com/watch?v=aCqXZjQkY7k