1.5. modelamiento (modelos aire)

31
MODELAMIENTO AMBIENTAL MSC. SONIA YUFRA CRUZ UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN FACULTAD DE INGENIERIA DE PROCESOS Escuela Profesional de Ingeniería Ambiental CURSO: MODELIZACION AMBIENTAL Tema: Modelos de Dispersión y Calidad de Aire MSc. Sonia Pilar Yufra Cruz Cdta. a Dr. Ciencias y Tecnologías Ambientales [email protected] Fuentes fijas MSC. SONIA YUFRA CRUZ 2

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modelamiento de aire

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  • MODELAMIENTO AMBIENTAL

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTNFACULTAD DE INGENIERIA DE PROCESOS

    Escuela Profesional de Ingeniera AmbientalCURSO: MODELIZACION AMBIENTALTema: Modelos de Dispersin y Calidad de Aire

    MSc. Sonia Pilar Yufra CruzCdta. a Dr. Ciencias y Tecnologas Ambientales

    [email protected]

    Fuentes fijas

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 2

  • MODELAMIENTO AMBIENTAL

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    MODELO DE CELDA FIJA

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 3

    Modelo de celda fijaLa siguiente figura muestra la dileccin de los ejes coordenados y lasdimensiones de la celda:

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 4

    Ciudad

    Q

    Concentracin defondo: b

    x

    y

    z

    L

    WVelocidad del

    viento: u

    Ce

    Ce H: Altura de la capade mezcla)

    (en la direccindel viento)

    (Perpendicular a ladireccin del viento)

  • MODELAMIENTO AMBIENTAL

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    Modelo de celda fija Para obtener una expresin matemtica se requiere sustituir los

    trminos adecuados al balance de materia: el primer trminocorrespondiente a la tasa de acumulacin es igual a cero ya que seconsidera un estado estacionario, adems se tienen dos flujos queentran a la celda fija: Ell primero se refiere al flujo que ingresa en el lado de la ciudad

    contrario al viento y se genera del producto uWHb: a su vez uWHes el volumen de aire que atraviesa a contracorriente la fronteradel sistema por unidad de tiempo.

    El segundo flujo de contaminantes es el emitido por la celda fijahacia la frontera inferior del sistema:

    Q=qWL.

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 5

    Modelo de celda fija Por otro lado, como se mencion ya en las hiptesis del modelo, la

    concentracin total en la caja (celda) es igual a c. y el nico lado enel cual es posible la salida del contaminante es el que se encuentraen el mismo lado del viento: se concluye que el flujo de saliente estexpresado por: uWHc.

    Finalmente se obtiene:

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 6

    uHqLbc /

  • MODELAMIENTO AMBIENTAL

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    Modelo de celda fija Para determinar el promedio anual de un contaminante en especfico

    se realiza una distribucin de frecuencias:

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 7

    Fcm xCcm=PAC Donde:

    PAC= Promedio anual de la concentracinCcm = Z(concentracin para una condicin meteorolgicaFcm= frecuencia con la que se presenta la condicin meteorolgica

    Las hiptesis del Modelo de celda fijaLas hiptesis que permiten el liso de este tipo de modelo son:

    La ciudad es un rectngulo de dimensiones W y L: uno de sus lados debeestar paralelo a la direccin del viento.

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 8

    Ciudad

    Q

    Concentracin defondo: b

    x

    y

    z

    L

    WVelocidad del

    viento: u

    Ce

    Ce H: Altura de la capade mezcla)

    (en la direccindel viento)

    (Perpendicular a ladireccin del viento)

  • MODELAMIENTO AMBIENTAL

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    Las hiptesis del Modelo de celda fijaLas hiptesis que permiten el liso de este tipo de modelo son: En la entrada de la celda (x =0). el contaminante tiene una concentracin constante y

    se denota como b. La concentracin de fondo, (b), del contaminante es constante y representa la

    aportacin del entorno de la celda a la concentracin de equilibrio

    No entra o sale ningn contaminante por los lados perpendiculares a la direccin delviento, ni por el lado superior

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 9

    Ciudad

    Q

    Concentracin defondo: b

    x

    y

    z

    L

    WVelocidad del

    viento: u

    Ce

    Ce H: Altura de la capade mezcla)

    (en la direccindel viento)

    (Perpendicular a ladireccin del viento)

    Las hiptesis del Modelo de celda fijaLas hiptesis que permiten el liso de este tipo de modelo son:

    La tasa de emisin del agente contaminantes (Q masa/tiempo ) se expresa en g/s. seobtiene multiplicado la emisin por unidad de rea (q) por el rea de la celda fija:Q=q*A y adems, y se mezclan de forma homognea en toda la caja, dando unaconcentracin uniforme, Ce

    Las sustancias dainas para el aire no entran ni salen por medio de los lados paralelosa la direccin del viento ni por el lado superior de la celda.

    El agente contaminante cuenta con una vida media tal que su tasa de destruccin esdespreciable e igual a cero.

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 10

    Ciudad

    Q

    Concentracin defondo: b

    x

    y

    z

    L

    WVelocidad del

    viento: u

    Ce

    Ce H: Altura de la capade mezcla)

    (en la direccindel viento)

    (Perpendicular a ladireccin del viento)

  • MODELAMIENTO AMBIENTAL

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    Las hiptesis del Modelo de celda fijaLas hiptesis que permiten el liso de este tipo de modelo son:

    El aire entra a la caja por una de sus caras, con velocidad u y nivel deconcentracin b (nivel de fondo) y sale por la cara opuesta, con velocidad uy concentracin Ce (nivel de equilibrio)

    El viento sopla en direccin del eje x y con una velocidad u constante; staltima no es afectada por el tiempo, ubicacin o elevacin por encima delsuelo.

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 11

    Ciudad

    Q

    Concentracin defondo: b

    x

    y

    z

    L

    WVelocidad del

    viento: u

    Ce

    Ce H: Altura de la capade mezcla)

    (en la direccin delviento)

    (Perpendicular a ladireccin del viento)

    Las hiptesis del Modelo de celda fijaque permiten el liso de este tipo de modelo son: La turbulencia atmosfrica produce el mezclado completo y total del

    contaminante hasta la altura de mezcla (H) y no hay mezcla por encima deesa altura por lo que se puede asumir que existe una concentracinhomognea, Ce, que es igual en todo el volumen de aire de la celda(concentracin de equilibrio)

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 12

    Ciudad

    Q

    Concentracin defondo: b

    x

    y

    z

    L

    WVelocidad del

    viento: u

    Ce

    Ce H: Altura de la capade mezcla)

    (en la direccindel viento)

    (Perpendicular a ladireccin del viento)

  • MODELAMIENTO AMBIENTAL

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    Tasa deacumulacin

    Tasa dedestruccin

    Tasa deentrada

    (entorno)

    Tasa desalida

    Tasa decreacin= +- -

    Q = q W L

    Emisin total Emisin por(g s-1) unidad de rea

    (g s-1 m-2)

    Celda fija estacionaria

    Estado estacionario:la concentracin no vara con el tiempo

    e q LC = b + u H0 = u W H b + q W L u W H CeEntra y se emite Sale

    dc 0dt

    L m m*L *L * =t V t

    m m*L *L =t * S t

    13

    Importante

    Ce es tanto mayor cuanto mayor sea la emisin (q) y la extensin de lacelda en la direccin del viento (L) (independiente de la anchura, W)

    A mayor u y H, la concentracin es menor

    El trmino del denominador (u H) se denomina factor de ventilacin

    (valor inverso medida del potencial de contaminacin del lugar)

    eq LC = b + u H

    14

  • MODELAMIENTO AMBIENTAL

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    Promedio sobre diversas condiciones meteorolgicas

    Concentracin Promedio:

    Concentracin en la condicin meteorolgica i-sima: ci

    Frecuencia con la que se produce cada condicin meteorolgica: fi

    i ii

    c = c f

    15

    Uso del modelo de celda para calcular la reduccin de emisiones

    Pregunta: Si para unas condiciones dadas un determinado nivel de emisinconduce a una concentracin fija de equilibrio, cul ha de ser el nivel de emisinpara conseguir una concentracin dada?

    q1 c1 q2? c2

    1 2

    1 2(c - b) u H (c - b) u Hq = q =L L

    22 1

    1

    (c - b )q = q (c - b )

    16

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    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    DESVENTAJAS DEL MODELOIgualmente es significativo recalcar las desventajas del modelo decelda fija:

    La primera es que no distingue entre un gran nmero de pequeasfuentes que emiten contaminantes a bajas elevaciones, nombradasfuentes de rea, y pequeo nmero de grandes fuentes decontaminantes que emiten al agente una amplia cantidad por fuente aelevaciones considerables, fuentes puntuales.

    El segundo inconveniente del modelo se refiere a la hiptesis delmezclado uniforme dentro de la celda fija, ya que sta es unasituacin es irreal, experimenta se tienen evidencias de los cambiosde dicha concentracin en un espacio determinado.

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 18

    MODELO DE CELDAS NOESTACIONARIA

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 19

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    Modelo de celda No estacionaria

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    Ciudad

    Q

    C(t)Concentracin defondo: b

    Velocidad delviento: u

    x

    y

    zH

    L

    W

    Estado no estacionario:

    la concentracin puede variar conel tiempo

    dC 0 C = C(t)dt

    Modelo de celda No estacionaria

    La solucin que se obtiene al resolver la ecuacin diferencial que resulta es:

    donde Ce es la concentracin de equilibrio que se obtendra si el rgimen fuese estacionario:

    eq L C = b + u H

    21

    Para cada contaminante, por unidad de tiempo, el balance de materia es:

    e euC(t) = C + b - C exp - t L

    Cantidad que entra + cantidad que se crea - cantidad que sale = cantidad que se acumula

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    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    MODELO DE CELDASMULTIPLES

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 22

    Modelo de celdas mltiples Este tipo de modelo tambin se

    conoce como UAM por sussiglas en ingls (Urban AirshedModel) y consiste en dividir alaire que est arriba de la ciudaden estudio en varias celdas,cada una es independiente de laotra; adems dichas divisionesson de tamaos uniformes.

    Su aplicacin est enfocada a lacontaminacin por ozono oagentes secundarios.

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 23

  • MODELAMIENTO AMBIENTAL

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    Modelo de celdas mltiples Los datos para cada celda que se requieren para estimar

    la concentracin de un contaminantes son: velocidad y direccin del viento en el centro, emisiones a nivel del suelo del ente perjudicial para la

    calidad del aire, clculos de los cambios qumicos, as como informes de la deposicin del contaminante

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 24

    Modelo de celdas mltiples Todo lo anterior se sustituye en el balance de materia de la ecuacin de

    balance de masas y se resuelve para la concentracin:

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 25

    Como se observa, la desventaja que presenta este modelo es la enormecantidad de requerimientos en informacin y el esfuerzo que implica susolucin y programacin en un paquete computacional.

    Td-Tg)Fs(-Fe)(=Ta Dnde:

    Ta=Tasa de acumulacinFe= Todos los lujos que entranFs=Todos los lujos que salenTg=Tasa de generacinTd= Tasa de destruccin

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    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    MODELO DE DIFUSINTURBULENTA

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 27

    Modelo de Difusin turbulenta

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 28

  • MODELAMIENTO AMBIENTAL

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    Ecuacin general de dispersin turbulenta18/07/2012 MSc. Sonia Yufra Cruz 29

    Ecuacin de difusin de Fick

    Para obtener una solucin analtica se hacen los siguientes supuestos: La concentracin se emana de una fuente puntual y continua El proceso es en estado estacionario (dC/dt=0) La direccin del viento predominante es en sentido de x Se selecciona una velocidad del viento u para que sea constante en cualquier punto

    de las coordenadas x,y ,z El transporte de contaminantes debido al viento en la direccin x predomina sobre la

    difusin descendente, esto es, u( C/dx) >> KXX (2C/ x2).

    Donde Kyy Kyy La ecuacin tambin debe cumplir las siguientes condiciones de frontera:

    Ecuacin general de dispersin turbulenta18/07/2012 MSc. Sonia Yufra Cruz 30

    Solucin aproximada de la ecuacin (Lowry y Boube)

    Donde: r2 = x2 + y2 + z2

    Pero, la anterior ecuacin muestra dos graves desviacionescuando se le compara con la evidencia experimental para lasconcentraciones a lo largo de la lnea central.

  • MODELAMIENTO AMBIENTAL

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    Ecuacin general de dispersin turbulenta18/07/2012 MSc. Sonia Yufra Cruz 31

    A nivel del suelo, lo largo de la lnea del centro, la ecuacin 1.2se reduce a

    Por tanto, la solucin aproximada de la ecuacin tericasimplificada indica que el valor de C a nivel del suelo y a lolargo de la lnea de centro de la pluma es inversamenteproporcional a x e independiente de la velocidad del viento, u.Las observaciones experimentales indican que C esinversamente proporcional a (ux1,76).Buscar nuevas soluciones

    MODELO GAUSSIANO DEDISPERSIN

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 32

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    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    Modelo gaussiano de dispersinSon modelos que se utilizanms ampliamente para estimarla concentracin de uncontaminante no reactivoproducida por una fuentepuntual, por ejemplo, lachimenea de una fbrica o elescape de un depsito.

    La funcin de las chimeneas esdescargar los contaminantes asuficiente altura para quepuedan dispersarse bien en laatmsfera antes de llegar alsuelo.

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 33

    Direccin del viento x

    z

    yH

    h

    h

    Modelo gaussiano de dispersinLas chimeneas ms altasdispersan mejor loscontaminantes debido a queestos tienen que viajar a travsde una capa atmosfrica msprofunda antes de llegar al niveldel suelo.A medida que el contaminanteviaja, se extiende y dispersa.Los gases emitidos por laschimeneas forman unaestructura gaseosa en forma deabanico llamada penacho opluma.

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 34

    Direccin del viento x

    z

    yH

    h

    h

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    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    Modelo gaussiano de dispersinA pesar de que son posibles variosenfoques bsicos del problema, por logeneral se necesita cierto nmero desuposiciones simplificadoras encualquier caso a fin de obtener unasolucin manejable.De esto resulta que todas estasteoras tienden a llegar a la mismafuncin de distribucin para laconcentracin del contaminante, estoes una funcin de distribucingaussiana.Para comprender el significado deeste tipo de funcin de distribucin enel contexto de la contaminacin delaire, es conveniente revisar algunasde las caractersticas generales de ladistribucin gaussiana o normal.

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 35

    = -2

    Modelo gaussiano de dispersinSe dice que una variable x est normalmentedistribuida si la funcin de densidad f(x) satisfacela relacin.

    Donde M es cualquier nmero real y es cualquier nmero real con un valor

    mayor que cero. La magnitud se conoce como la desviacin

    normal.

    El valor de (x) es la altura vertical sobre el ejehorizontal. El valor de establece la situacin delvalor mximo de (x) sobre el eje x, y la curva essimtrica con respecto a la posicin de .Cuando = 0, la curva es simtrica alrededor deleje x = 0. Por tanto, se desplaza simplemente laposicin de la curva de distribucin total conrespecto a x = 0, como se indic para el caso enque =-2.

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 36

    0-2 2

    (x)Puntos deinflexin

    = 0

  • MODELAMIENTO AMBIENTAL

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    Modelo GaussianoSe desea conocer la concentracin en la fase final del penacho decontaminantes emitido por la chimenea en un marco de coordenadasEulerianos

    18/07/2012 MSc. Sonia Yufra Cruz 37

    Direccin del viento x

    z

    yH

    h

    h

    Modelo Gaussiano

    Dnde: C = Concentracin del contaminante en el punto x, y, z (kg/m3) Q = Caudal de emisin o masa emitida por unidad de tiempo (kg/seg) y = distancia en direccin horizontal z = distancia en direccin vertical y = coeficientes de dispersin de contaminantes en direccin y (horizontal) (m) z = coeficientes de dispersin de contaminantes en direccin z (vertical) (m) u = velocidad del viento en la boca de la chimea (m/s). h = Altura de la fuente emisora sobre el nivel del suelo (m). H = Altura efectiva de la chimenea (Altura dela fuente ms la altura ms la

    elevacin de la pluma de la chimenea en m)

    18/07/2012 Blga. MSc. Sonia Yufra Cruz 38

    Ecuacin general de la modelizacin gaussiana: frmula de Sutton.Concentracin de contaminante en un punto de coordenadas (x, y, z)para la emisin de un foco de altura efectiva H (sin considerarreflexiones en el suelo):

    22

    2 2y z y z

    z - HQ y C x , y , z = e x p - e x p -2 u 2 2

    z = H

    xz = 0

  • MODELAMIENTO AMBIENTAL

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 39

    La reflexin es unfenmeno deretrodifusin de loscontaminantescuando encuentran labarrera del suelo

    z = H

    xz = 0

    Zona dereflexin

    40

    Fuente puntual con reflexin en el suelo

    Considerar la reflexin en el suelo es equivalente a considerar dos fuentes decontaminacin, una situada en z = +H y otra situada en z = H:

    Distancia donde no hayreflexin

    (no llega contaminanteal suelo)

    2 22

    2 2 2y z y z z

    - z - H - z + HQ yC x , y , z = e xp - e xp + exp2 u 2 2 2

    z = -H

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    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    y y z son funcin de la posicin en la direccin delviento, x, y de la estabilidad atmosfrica (requiere lacaracterizacin del tipo de atmsfera en una de lascategoras de Turner)

    2 2Q y HC x , y , 0 = e x p - e x p -2 2 u 2 2 y z y z

    Las concentraciones a nivel del suelo (z = 0) son muy importantes(receptores):

    41

    A nivel del suelo (z = 0), en la lnea central (y = 0) los receptores recibenlos mximos niveles de contaminacin:

    42

    2Q HC x , 0 , 0 = e x p - 2 u 2 y z z

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    CALCULO DE COEFICIENTES DE DIFUSIN

    43

    y y z son funcin de la posicin en la direccin del viento, x, y de laestabilidad atmosfrica (requiere la caracterizacin del tipo deatmsfera en una de las categoras de Turner)

    Estudiar una fuente elegir la clase de estabilidad atmosfricatpica de la regin que conduzca al peor episodio de contaminacinposible

    A travs de numerosas medidas experimentales en la atmsfera, seha llegado a obtener la correlacin de sy y sz con la distancia y el tipode atmsfera

    Hay varios mtodos para obtener los coeficientes de dispersin sy ysz: describiremos los mtodos de Pasquill (grfico y analtico) y elmtodo de Martin (analtico) por ser ampliamente usados en labibliografa del tema

    CALCULO DE COEFICIENTES DE DIFUSIN44

    En primer lugar se debe conoce la estabilidad atmosfrica se puedehallar en la siguiente tabla:

    Clave para las categoras de estabilidadVelocidad de

    Viento deSuperficie(a 10 m)

    (m/s)

    INSOLACIN NOCHE

    FUERTE(mayor que 50

    cal/cm2 h)

    MODERADO(entre 25 y 50

    cal/cm2 h)

    LEVE(menor que 25

    cal/cm2 h)

    LIGERAMENTENUBLADO o

    pequea cubiertade nubes 4/8

    Cubierta denubes de

    3/8

    < 2 A A-B B - -

    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

    * Ligeramente cubiertoNota: Se deben asumir clases neutrales D para condiciones de cielo cubierto durante el da o la noche

    Categora deestabilidad A B C D E F

    DefinicinExtremadament

    e inestableModeradamente

    inestableLigeramente

    inestableNeutra

    Ligeramenteestable

    Moderadamente estable

  • MODELAMIENTO AMBIENTAL

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    A. Mtodo GrficoLas curvas de Pasquill-Gifford

    Grficas cuyo objetivo es laestimacin de los valores de y y z

    Los valores de sz tienenmayor error que los de sysobre todo para distanciassuperiores a 1 km en ladireccin del viento

    Distancia x Km sy , sz m

    45

    Coe

    ficie

    nte

    de d

    ispe

    rsi

    n la

    tera

    l,s y

    (m)

    Distancia x (km)0.1 1 10 100

    102

    10

    103

    104

    A Extremadamente inestableB Moderadamente inestableC Ligeramente inestableD NeutraE Ligeramente estableF Moderadamente estable

    Curvas de Pasquill-Gifford

    F

    ACB

    D E

    Amplitud del penacho,sz,para una distancia x dada:

    sz Mxima

    inestabilidad atmosfricamxima (A)

    szMnima

    atmsfera muy estable (F)

    Distancia x kmsy ,sz m !!

    46

    A . Mtodo Grfico

    Curvas de Pasquill - Gifford

    Coe

    ficie

    nte

    de d

    ispe

    rsi

    n v

    ertic

    al,

    s z(m

    )

    Distancia x(km)

    0.1 1 10 100

    102

    10

    103

    Curvas de Pasquill-Gifford

    x

    sz Mx A(Inestable)

    sz Mn F(Estable)

    A B CDEF

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    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    CALCULO DE COEFICIENTES DE DIFUSIN

    B. Mtodos analticos (Frmulas de Martin)

    Correccin de por rugosidad del terreno Tambin se utilizan otras ecuaciones que no hacen correccin de

    rugosidad del terreno como la propuesta por D. O. Martin para elclculo de .

    y = axb

    z = cxd + f

    y y z est expresada en metros y x en kilmetros.:

    DondeLas constantes a, c, d y f dependen de la categora de estabilidad dePasquill y b vale siempre 0.894

    47

    B. Mtodos analticos

    48

    Tabla: Valores de las contantes para el clculo de y y z como una funcinde la distancia del viento y de la condicin de estabilidad

    Estabilidadx < 1km x > 1km

    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

    Categora deestabilidad A B C D E F

    DefinicinExtremadament

    e inestableModeradamente

    inestableLigeramente

    inestableNeutra

    Ligeramenteestable

    Moderadamente estable

  • MODELAMIENTO AMBIENTAL

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    CLCULO DE u" VELOCIDAD DEL VIENTO ENLA BOCA DE LA CHIMENEA

    Donde:uz = u = Velocidad del viento en la boca de la chimeneau10 =velocidad del viento a 10 metros de alturah =altura de la chimeneap =coeficiente exponencial (valor de tabla)

    18/07/2012 Blga. MSc. Sonia Yufra Cruz 53

    p)10h(u=u 10z

    CLCULO DE u" VELOCIDAD DEL VIENTO EN LA BOCA DE LACHIMENEA

    18/07/2012 Blga. MSc. Sonia Yufra Cruz 54

    EstabilidadCoeficiente exponencial (p)

    urbano rural

    ABCDEF

    0,150,150,200,250,400,60

    0,070,070,100,150,350,55

    Categora deestabilidad

    A B C D E F

    DefinicinExtremadamente

    inestableModeradamente

    inestableLigeramente

    inestableNeutra

    Ligeramenteestable

    Moderadamente estable

  • MODELAMIENTO AMBIENTAL

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    CALCULO DE LA ALTURA EFECTIVA DE LA CHIMENEA

    18/07/2012 Blga. MSc. Sonia Yufra Cruz 55

    Direccin delviento

    x

    z

    y Hh

    h

    CALCULO DE LA ELEVACIN DEL PENACHO

    La elevacin del penacho, h, se define como ladiferencia entre la altura de la lnea central final delpenacho y la altura inicial de la fuente y es directamenteproporcional al contenido calorfico y a la velocidad desalida del efluente e inversamente proporcional a lavelocidad del viento.

    Existen varios mtodos para determinar la elevacin delpenacho y una de las frmulas ms empleadas para elclculo de esta elevacin: Ecuacin de Holland Ecuacin de Briggs

    56

  • MODELAMIENTO AMBIENTAL

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    Elevacin del penacho. Ec de Holland57

    s p s h h asV d kh = n + = Q c T - Tu V

    Q Q d

    Dnde:

    h = Elevacin del penacho (en m)rs = Radio de la boca de la chimenea (m)Vs = Velocidad de salida del gas (m/s)u =Veloc. viento en la boca de ch (m/s)Ts = Temperatura de salida del gas (K)Ta = Temperatura ambiente (K)P = Presin atmosfrica (en KPa)h = Altura de la chimenea (m)

    Direccin delviento

    x

    z

    y Hh

    h

    Elevacin del penacho Ec de Briggs58

    s p s h h asV d kh = n + = Q c T - Tu V

    Q Q dDnde:h = Elevacin del penacho (en m)u =Veloc. viento en la boca de ch (m/s)F = Parmetro del flujo por flotacin. (m4/ s3)xf = Distancia aguas abajo a partir de la cota mxima de laelevacin del penacho, (m)

    Direccin delviento

    x

    z

    x

    Hh

    h

    En esta ecuacin se incluyen trminos tanto para la cantidad de movimientos comopara la flotacin, estando este ultimo basado en el anlisis de fotografas de penachosllevadas a cabo en Oak Ridge. desde entonces han aparecido otras muchas formulas ylas recomendaciones de Briggs (1969) son de lo mas completa.a. Para condiciones neutrales o inestables (estabilidades A C O D ):Para x < xf :

  • MODELAMIENTO AMBIENTAL

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    Elevacin del penacho Ec de Holland59

    s p s h h asV d kh = n + = Q c T - Tu V

    Q Q d

    Dnde:

    F = Parmetro del flujo por flotacin. (m4/ s3)g = Gravedad (9.8 m/s2)Vs = Velocidad de salida del gas (m/s)rs = Radio de la boca de la chimeneaTs = Temperatura de salida del gasTa = Temperatura ambientexf = Distancia aguas abajo a partir de la cota mxima de laelevacin del penacho, (m)hs = Altura de la chimenea

    Direccin delviento

    x

    z

    x

    Hh

    h

    Elevacin del penacho Ec de Briggs60

    s p s h h asV d kh = n + = Q c T - Tu V

    Q Q d

    Dnde:h = Elevacin del penacho (en m)u =Veloc. viento en la boca de ch (m/s)S = Parmetro de estabilidad

    Direccin delviento

    x

    z

    x

    Hh

    h

    b. Para condiciones estables (estabilidades E o F):

    31)

    SuF(2.4=h

  • MODELAMIENTO AMBIENTAL

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    Elevacin del penacho Ec de Briggs61

    s p s h h asV d kh = n + = Q c T - Tu V

    Q Q d

    Dnde:

    S = Parmetro de estabilidadg = Gravedad (9.8 m/s2)h = Elevacin del penacho (en m)Ta = Temperatura ambiente (K)Ta/ Z = Variacin de la Temperatura con respecto a laaltura (C /Km)

    Direccin delviento

    x

    z

    x

    Hh

    h

    b. Para condiciones estables (estabilidades E o F):

    )/01.0Z

    Ta(g= mCTa

    S

    MODELOS LINEALESFUENTES DIFUSAS

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 69

  • MODELAMIENTO AMBIENTAL

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    FUENTES LINEALESLa contaminacin de fuente lineal, aunque no se tiene mucha informacinsobre esta clase de contaminacin, se puede definir como aquella que sedesarrolla o progresa a lo largo de una lnea, dicho de otra manerapodemos poner un ejemplo para que se pueda entender mejor un ejemplo decontaminacin de fuente lineal podra ser la contaminacin acstica o lacontaminacin qumica que est producida por la emisin de partculascontaminantes que hay en el trfico de las autopistas.

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 70

    FUENTES LINEALESPor otro lado, si tenemos que hablar de la contaminacin de fuentedifusa nos hemos de referir a toda contaminacin que emitepartculas contaminantes en el aire a travs de diferentes puntosque estn esparcidos por todos los lados, dicho de otra manera,este tipo de contaminacin se da en una superficie muy grande en lacual es casi imposible tener control o detencin de las partculascontaminantes.

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 71

  • MODELAMIENTO AMBIENTAL

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    FUENTES LINEALES Este modelo consiste en dividir la va

    en segmentos, los que sonconsiderados como elementos de lava, cada uno de los cuales produceconcentraciones incrementales quese van sumando para formar laconcentracin total estimada delcontaminante dado en un receptor enparticular.

    La distancia del elemento al receptorse mide sobre una rectaperpendicular, trazada desde elreceptor hasta el eje central de lava. El primer elemento se conformacomo un cuadrado con lados igualesal ancho de la va y su posicin esdeterminada por el ngulo entre lava y la direccin del viento.

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 72

    FUENTES LINEALES Cada elemento es modelado como una fuente lineal finita equivalente

    (EFSL), ubicada perpendicularmente a la direccin del viento y centrada ensu punto medio.

    El penacho de emisiones tiene forma gaussiana, en direccin al vientodesde el elemento.

    La longitud y orientacin del EFSL se determinan como funciones deltamao del elemento y el ngulo (PHI) entre el promedio de la direccin delviento y la alineacin de la carretera.

    Para el caso de una carretera la longitud de cada elemento se describe porla ecuacin siguiente:

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 73

    UTN= / UEUP

    V

    UP/UE = Unidad de Produccin por Unidad de Espacio (Veh/mN UT = Unidades en el Tiempo (Veh/h)V = Velocidad (m/h)

  • MODELAMIENTO AMBIENTAL

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ

    FUENTES LINEALES Para calcular la tasa de emisin de la fuente

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 74

    qm)(=QUEUp

    Q = Tasa de emisin en g/s*mN UT = Unidades en el Tiempo (Veh/h)qm = Tasa de emisin promedio (veh /hora)

    FUENTES LINEALES Para calcular la concentracin:

    MSC. SONIA YUFRA CRUZ 75

    ))2(2(=

    21)0,0.(

    zx

    QC

    C(x,0,0) = Concentracin en las coordenadasQ = Tasa de emisin en g/s*msz = Desviacinn en Zu = Velocidad del viento