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TABLA DE CONTENIDOS
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE ARQUITECTURA Y URBANISMO
ARQ. GUILLERMO CUBILLO RENELLA
Maestra: IMPACTO AMBIENTAL
TEMAAPLICACIN DE UN MODELO MATEMTICO DE DISPERSIN DE EMISIONES CONTAMINANTES A LA ATMSFERA PARA UNA PLANTA DE GENERACIN ELCTRICA QUE UTILICE MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA YDISEO DE UN PLAN DE MANEJO AMBIENTAL PARALA MITIGACIN DE POSIBLES IMPACTOSAMBIENTALES
AUTORA:
Arq. Mercedes Elvira Herrera Vlez
TUTORA:
Mireya Matilde Pozo Cajas, M.Sc
GUAYAQUIL - ECUADOR
AO 2016
REPOSITORIO NACIONAL EN CIENCIAS Y TECNOLOGA
FICHA DE REGISTRO DE TESIS
TTULO APLICACIN DE UN MODELO MATEMTICO DE DISPERSIN DE EMISIONES CONTAMINANTES A LA ATMSFERA PARA UNA PLANTA DE GENERACIN ELCTRICA QUE UTILICE MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA Y DISEO DE UN PLAN DE MANEJO AMBIENTAL PARA LA MITIGACIN DE POSIBLES IMPACTOS AMBIENTALES
REVISORES: no poner nada
INSTITUCIN: Universidad de Guayaquil
FACULTAD: Arquitectura y Urbanismo
CARRERA: Maestra en impacto Ambiental
FECHA DE PUBLICACIN: 10 de enero del 2016
N DE PGS.: 143
REA TEMTICA: Contaminacin causada por termoelctrica
PALABRAS CLAVES: Modelo, Contaminacin Termoelctrica
RESUMEN:
N DE REGISTRO(en base de datos):
N DE CLASIFICACIN: N
DIRECCIN URL (tesis en la web):
ADJUNTO PDF
SI
X
NO
CONTACTO CON AUTOR:
Telfono:
0998733339
E-mail:
CONTACTO DE LA INSTITUCIN
Nombre: Arq. Silvia Alcvar MSc.
Telfono:
DEDICATORIA
Dedico este trabajo a mi creador Dios, pues es quien me ha dado la fortaleza para culminarlo
A mi esposo e hijos por su apoyo incondicional y en especial a mis nietos, que iluminan mi existencia con su presencia.
AGRADECIMIENTO
A la Universidad de Guayaquil, y sus autoridades, a la Facultad de Arquitectura y Urbanismo Arq. Guillermo Cubillo Renella, a los Docentes y muy es especialmente a mi tutora Mireya Matilde Pozo Cajas, M.Sc por su apoyo en mi trabajo de maestra
MIEMBROS DEL TRIBUNAL
__________________________
Arq. Carlos Palacios Portes Msc
PRESIDENTE DEL TRIBUNAL
___________________________
Arq. Jenny Mite Pezo Msc
VOCAL DEL TRIBUNAL
___________________________
Ing. Jos Alcvar Alava Msc
VOCAL DEL TRIBUNAL
DECLARACIN EXPRESA
La responsabilidad del contenido de esta Tesis de Grado, me corresponden exclusivamente; y el patrimonio intelectual de la misma a la UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
Arq. Mercedes Elvira Herrera VlezAUTORA
INDICE GENERAL
CaratulaIi
repositorio nacional en ciencias y tecnologa ii
Certificacin Tutorial de TesisError! Marcador no definido.
Certificacin de GramticoError! Marcador no definido.
DedicatoriaV
Agradecimientoiv
Miembros Del Tribunalv
Declaracin Expresavi
Indice Generalivii
Indice de Cuadrosx
Indice de Figurasxi
Resumenxii
Abstractxiii
Introduccin14
CAPTULO IEL PROBLEMA17
1.1.planteamiento del problema17
FIGURA 1 EMISIN DE GASES DESDE UNA CHIMENEA18
1.2.UBICACIN DEL PROBLEMA EN UN CONTEXTO18
1.3.SITUACIN CONFLICTO20
1.4.CAUSAS DEL PROBLEMA, CONSECUENCIA.21
1.5.DELIMITACIN DEL PROBLEMA22
1.6.FORMULACIN DEL PROBLEMA23
1.7.EVALUACIN DEL PROBLEMA23
1.8. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIN24
1.9. justificacin e importancia de la investigacin25
1.10. utilidad prctica de la investigacin26
1.11. cules sern los beneficios26
CAPTULO I MARCO TERICO27
ANTECEDENTES DEL ESTUDIO27
2.1.Fundamentacin Terica27
2.1.1.Introduccin al uso de modelos matemticos.27
2.2.Fundamentacin legal28
2.2.1.Matriz Energtica de produccin elctrica Grfico (9)31
2.2.2.Hiptesis31
2.2.3.Variables de la investigacin32
2.3.Fundamentacin Conceptual32
2.3.1.Introduccin al uso del modelo32
2.3.2.Estabilidad y comportamiento de la pluma33
2.3.2.1.Pluma en espiral33
Figura 2 Pluma en espiral34
2.3.2.2.Pluma en abanico34
Figura 3. Pluma en abanico34
2.3.2.3.Pluma de Cono35
Figura 4 Pluma de cono35
2.3.2.4.Pluma de Flotacin35
Figura 5 Pluma de flotacin36
2.3.2.5.Pluma de Fumigacin36
Figura 6 Fumigacin36
2.3.2.6.Anlisis matemtico del modelo Gaussiano de dispersin37
Figura 7 Diagrama del penacho37
2.3.2.7.Descripcin tcnica de una central termoelctrica48
2.3.2.8.Funcionamiento de una central trmica49
CAPITULO III50
METODOLOGIA50
3.1.Modalidad de la Investigacin50
3.2.Tipo de investigacin50
CAPITULO IV PROPUESTA53
4.1. Elaboracin de un modelo matemtico53
4.1.1.Modelo matemtico de dispersin 53
4.1.2.Metodologa para la obtencin de las concentraciones53
4.2. Descripcin De La Propuesta54
4.2.1.Presentacin del modelo matemtico: 55
4.2.2.Plan de Manejo Ambiental, PMA de la Central Termoelctrica Santa Elena II 135
CAPTULO VCONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES142
5.1. CONCLUSIONES142
5.2. RECOMENDACIONES144
BIBLIOGRAFA145
ANEXOS147
INDICE DE TABLAS
Tabla n1 Clave de las categoras de estabilidad42
Tabla n 2 Valores aproximados dE Y Y Z como una funcin de las constantes que dependen de la estabilidad. ntese que las constantes son diferentes43
Tabla n 3 Valores de las constantes por utilizar en la ecuacin (11) como una funcin de la distancia en la direccin del viento y de la condicin de estabilidad44
Tabla n 4 Contaminantes del combustible148
INDICE DE figuras
FIGURA N 1 Emisin de gases desde una chimenea18
Figura N 2 Pluma en espiral34
Figura N 3. Pluma en abanico34
Figura N 4 Pluma de Cono35
Figura N 5 Pluma de flotacin36
Figura N 6 Fumigacin36
Figura N 7 Diagrama del penacho37
FIGURA N 8 PLAN MAESTRO DE ELECTRIFICACIN149
FIGURA N 9 Evolucion de emisiones149
APLICACIN DE UN MODELO MATEMTICO DE DISPERSIN DE EMISIONES CONTAMINANTES A LA ATMSFERA PARA UNA PLANTA DE GENERACIN ELCTRICA QUE UTILICE MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA Y DISEO DE UN PLAN DE MANEJO AMBIENTAL PARA LA MITIGACIN DE SUS POSIBLES IMPACTOS AMBIENTALES
AUTOR:Mercedes Elvira Herrera Vlez
TUTOR:Mireya Matilde Pozo Cajas MSc
FECHA:7 de Enero de 2016
RESUMEN
La tesis trata de la aplicacin del Modelo Gaussiano de Dispersin que consiste en un conjunto de frmulas matemticas que representan, eventos fsico-qumicos y permiten calcular la cantidad de contaminantes emitidos a la atmosfera, la concentracin a nivel de suelo, la altura efectiva de la chimenea y otros.
La atmsfera es el medio que envuelve la tierra y donde, se desarrolla la vida; est compuesta por oxgeno, hidrogeno, argn y otros gases en menor cantidad, la dispersin es la combinacin de los gases de la atmsfera con los gases contaminantes que la impactan.
En el trabajo presente, se analiza la contaminacin causada por las fuentes fijas (motores de combustin) de las plantas Termoelctricas la aplicacin y elaboracin de un modelo Gaussiano, basado en conceptos y frmulas cientficamente probadas. Se ha elaborado un modelo mediante, el cual, se simula el comportamiento y la dispersin del contaminante, y permite predecir la concentracin del mismo, puede ser aplicado para cualquier planta termoelctrica en operacin que utilice motores de combustin para lo cual es necesario considerar parmetros y condiciones meteorolgicas siguientes: estabilidad atmosfrica, presin atmosfrica, velocidad y temperatura del viento, entre otros.
La velocidad del viento es inversamente proporcional a la concentracin del contaminante y temperatura, transportado a la velocidad del viento dominante; a mayor velocidad la concentracin disminuye. Se incluye un tutorial que indica, paso a paso, la aplicacin del modelo, el mismo que se convierte en una herramienta de clculo.
CONTAMINANTE
TERMOELECTRICA
MODELO
ABSTRACT
This investigation is about the application of Gaussian dispersion model consisting of a set of mathematical formulas representing physicochemical events and calculate the amount of pollutants emitted into the atmosphere, the concentration at ground level, the effective height of the fireplace and others.
The atmosphere is the medium that surrounds the earth and where life is developed; it is composed of oxygen, hydrogen, argon and other gases in smaller quantities; the dispersion is a combination of atmospheric gases with the gaseous pollutants that impact it.
In this paper, the pollution from stationary sources (combustion engines) from thermoelectric plants the implementation and development of a Gaussian model, based on concepts and formulas, are analyzed scientifically proven. It has been developed a model by which the behavior and dispersion of pollutant is simulated, and predicts the concentration thereof can be applied to any power plant in operation using combustion engines for which it is necessary to consider parameters and following weather conditions: atmospheric stability, atmospheric pressure, wind speed and temperature, among others. The wind speed is inversely proportional to the concentration of the pollutant and temperature, transported to the prevailing wind speed; faster concentration decreases. A tutorial that shows, step by step, application of the model is included; this also serves as a calculation tool.
scientifically proven. It has been developed a model by which the behavior and dispersion of pollutant is simulated, and predicts the concentration thereof can be applied to any power plant in operation using combustion engines for which it is necessary to consider parameters and following weather conditions: atmospheric stability, atmospheric pressure, wind speed and temperature, among others.
The wind speed is inversely proportional to the concentration of the pollutant and temperature, transported to the prevailing wind speed; faster concentration decreases. A tutorial that shows, step by step, application of the model is included; this also serves as a calculation tool.
POLLUTANTS
THERMOELECTRIC
MODEL
i
ii
INTRODUCCIN
La contaminacin a la atmsfera, se genera desde un emisor que luego de haber realizado un proceso de combustin, emite contaminantes arrastrados a la velocidad y direccin del viento, los dispersa y van a la atmsfera donde la mayor parte de ellos es eliminada mediante fenmenos como la precipitacin; es depositada en forma original o luego de haber sufrido transformaciones qumicas, y la disposicin final de estos contaminantes es el suelo. Este tipo de contaminacin es producido por las plantas termoelctricas, que en su mayora utiliza como combustible derivado del petrleo: bunker, gas natural, disel, fueloil, que surgen ante la demanda de energa elctrica siendo los principales contaminantes: dixido de azufre, dixido de nitrgeno y dixido de carbono afectando directamente la calidad de aire.
La atmsfera est compuesta por la combinacin de varios gases, entre estos, los ms importantes son el nitrgeno, oxgeno, argn y otros en menor proporcin. Las generadoras de energa elctrica consideradas contaminantes, perjudiciales para la vida en la Tierra ya que stas, de acuerdo a; los componentes, reaccionan con otras sustancias qumicas y alteran las condiciones ambientales.
La emisin de los contaminantes, se origina desde fuentes fijas y salen a la atmosfera por medio de chimeneas. En este caso se analizan las fuentes fijas de contaminacin, tales como son las plantas termoelctricas.
Las centrales termoelctricas; son las ms utilizadas y existen en el pas en mayor nmero; utilizan combustibles fsiles tales como: gas natural, carbn, bunker, el fuel oil (ms econmico porque es producido en el pas) este ltimo emite una cantidad considerable de contaminantes a la atmsfera, los principales son: dixido de azufre (SO2), xidos de nitrgeno (NOx), monxido de carbono (CO), y material particulado MP 10, estos ltimos tienen densidades muy bajas de manera que viajan a la velocidad de los gases y para alcanzar dispersin mxima, los efluentes debern salir con velocidades suficientes y capacidad de flotacin a fin de que contine su ascenso luego de estar fuera de la chimenea; esto origina una variedad de tipos de pluma o penacho
El proceso de dispersin depende de algunos factores, entre ellos, los ms importantes son: velocidad de salida, temperatura a boca de chimenea, forma, tamao y componentes; tambin, agentes meteorolgicos: velocidad y direccin del viento, temperatura del aire, presencia de turbulencia, humedad y presin atmosfrica.
Los afectados directos son principalmente quienes laboran en estos ambientes y requieren de proteccin, por lo cual, se exigen implementos y equipos de proteccin especiales, control mdico peridico, entre otros. Sin embargo, para el conjunto de habitantes quienes viven en el rea de influencia directa que es el sector ubicado a un radio de 200 m. a la redonda del punto emisor, para esta poblacin, generalmente no hay medidas que compensen el dao recibido.
Sin embargo la demanda de energa, obliga a las autoridades gubernamentales a resolverla mediante un Plan de Electrificacin en el que se repotencian algunas plantas termoelctricas existentes como es el caso de TERMOESMERALDAS, que en el ao 2011, la empresa CELEC EP, contrat la empresa china HARBIN ELECTRIC INTERNATIONAL CO LTD, para implementar la Central Trmica Esmeraldas II de 96 MWh, con una inversin de $ 101400.000.00 que produce 600 GWh; el costo es de 6 ctvs.
El KWh. consta de 12 motores con 6 generadores cada uno y 7 tanques para almacenamiento; el consumo diario es de 1 tanque de combustible (fuel oil # 6) que se calienta para alcanzar la fluidez ptima para ser inyectado a los quemadores y poner en funcionamiento los motores generadores de la energa elctrica.
Existen algunas formas de generar energa elctrica: con recursos renovables y con no renovables, las centrales hidroelctricas utilizan la energa hidrulica por ejemplo la Coca Codo Sinclair, en construccin, que aportar 1500 MWh de potencia y constituye uno de grandes proyectos de produccin de energa elctrica que tiene el pas; su construccin y puesta en operacin toma mucho ms tiempo, se inici en el ao 2010 y su puesta en operacin est programado para el ao 2016.
La demanda de combustible es de millones de galones de disel y fuel oil lo cual amerita que los Estudios de Impacto Ambiental de los mismos sean realizados con modelos matemticos para obtener un conocimiento aproximado de lo que en realidad est ocurriendo en cuanto a contaminacin del aire.
En el Ecuador se han realizado algunas investigaciones sobre los efectos para la salud debido a la contaminacin del aire. La Fundacin Natura, por medio de su proyecto Calidad de Aire ha realizado estudios puntuales como es los efectos en la salud provocados por la contaminacin atmosfrica, en el ao 2000 se realiz un estudio sobre el incremento de enfermedades respiratorios en los nios escolares de Quito, en el informe anual del ao 2006, se comprob que el problema mayor de contaminacin era el material particulado (PM2.5) son partculas sedimentables, las mismas que pasaron los lmites permitidos por la norma ecuatoriana de calidad del aire, los efectos nocivos que produce este contaminante en la salud.
En la ciudad de Cuenca, durante los ltimos 5 aos se han realizado importantes estudios e investigaciones puntuales no obstante sirven como referencia del estado de contaminacin atmosfrica en que se encuentra esta ciudad. El estudio realizado en el Centro Histrico de la ciudad de Cuenca determin que los niveles de NO2, O3, SO2, Se detect adems que en 11 de los 20 puntos de monitoreo los valores de NOx, superaban los permitidos por la Organizacin Mundial de la Salud (OMS)[footnoteRef:1]. [1: Fuente: Proyecto Calidad de Aire (Fundacin Natura)]
CAPTULO IEL PROBLEma1.1. Planteamiento del Problema
El objeto de estudio de esta tesis es la aplicacin de un Modelo matemtico de dispersin de contaminantes a la atmsfera producida por las termoelctricas, presentar el funcionamiento, su practicidad y validez como herramienta de clculo para determinar la concentracin de contaminantes causado por fuentes fijas de emisin constante como son las termo elctricas.
Los principales: dixido de azufre (SO2), xidos de nitrgeno (NOx), monxido de carbono (CO), y material particulado MP 10, estos ltimos tienen densidades muy bajas de manera que viajan a la velocidad de los gases y para alcanzar dispersin mxima, los efluentes debern salir con velocidades suficientes y capacidad de flotacin a fin de que contine su ascenso luego de estar fuera de la chimenea; esto origina una variedad de tipos de pluma o penacho
Para el desarrollo de actividades elctricas, existe el ente regulador que es el CONELEC que establece los procedimientos y las medidas aplicables al sector elctrico en el pas, para que las actividades de generacin, transmisin y distribucin de energa elctrica, en las etapas de construccin, operacin y abandono, se realicen de manera que se prevengan, controlen, mitiguen y/o compensen los impactos ambientales negativos y potencien los positivos.
Mediante el grfico se muestra la emisin de gases desde una chimenea la misma que a medida que se desplaza se observa la curva de Gauss a la cual debe su nombre.
FIGURA 1 Emisin de gases desde una chimenea
Fuente: American institute of chemical engineers, Guidelines for Chemical Process Quantitative Risk Analysis, 1989
1.2. Ubicacin del problema en un contexto
En la tesis presente, se aborda el tema como un problema generalizado a nivel de pas, por tratarse de un servicio bsico, y est estrechamente relacionado con la contaminacin ambiental, como lo afirma un informe del PND (Plan Nacional de Desarrollo) en el siguiente texto.
En la actualidad y antes del ao 2008 cuando se puso en vigencia la Constitucin Poltica del Ecuador que tiene un contenido de 444 artculos de los cuales 67 pertenecen a aspectos ambientales. Cabe recalcar, que desde los aos 90 se han realizado reuniones a nivel mundial a travs de tratados, convenios, cumbres, en las cuales, los representantes de los pases han firmado dichos tratados y convenios. Como resultado del debate mundial hay seis puntos a los cuales se deben dar atencin prioritaria: abastecimiento de energa, salud, atencin al sector agrcola, diversidad biolgica y educacin. Todos estos aspectos estn relacionados con la reduccin de la pobreza. De los seis puntos mencionados lo correspondiente al manejo eje transversal de los otros y, en especial, con los impactos a la biodiversidad en la que est incluida la poblacin.
En el pas, el modelo de desarrollo de los ltimos 60 aos ha carecido de sostenibilidad lo que ha permitido la degradacin del patrimonio natural, esto hace del Ecuador un pas dependiente econmicamente, con lo que, su situacin, se hace inviable a mediano y largo plazo [footnoteRef:2]. [2: Fuente: Plan Nacional de Desarrollo 2007-2010 PND pg. 161]
Por lo expuesto, el problema de la contaminacin de los gases a la atmsfera, el uso y la explotacin de los recursos no renovables est estrechamente ligado a lo expresado por el PND y, en ese sentido de ninguna manera el pas est actuando acorde a lo enunciado en los tratados, convenios y cumbres y a los compromisos realizados a nivel mundial.
Las centrales termoelctricas surgen ante la demanda creciente de energa; la mayora de ellas utiliza fuel oil como combustible, debido a su costo bajo y, adems, es producido en el pas; sin embargo, es altamente contaminante.
La Agencia Internacional de Energa reporta que en el ao 2012. Los gobiernos subsidiaron $ 544`.000.000, mientras que la inversin para la energa renovable fue de $101`.000.000. Lo preocupante es que, a nivel mundial, el uso de los combustibles 1Ref fsiles (derivados del petrleo) representa el 80% del consumo total de la energa.
El Decreto Ejecutivo No. 1815, publicado en el Registro Oficial No 636 del 17 de Julio del 2009, menciona textualmente que todo proyecto en su ingeniera financiera una clusula de adicionalidad. La autoridad ambiental del sector elctrico coordinar con la autoridad nacional de mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL) para canalizar la calificacin de los proyectos los cuales se beneficiarn del comercio de bonos y permitir disminuir a nivel mundial, la emisin de los gases de efecto invernadero. El mismo decreto tambin, crea la subsecretara de Cambio Climtico, en del Ministerio del Ambiente, y a cargo de la Direccin de Cambio Climtico, Produccin y Consumo Sustentable con las atribuciones del entonces existente Comit del Clima[footnoteRef:3]. [3: Fuente: Sector Elctrico y Ambiente Ecuador]
1.3. Situacin conflicto
El problema de la demanda energtica genera contaminacin producida por las termoelctricas. Se escogieron 5 Termo elctricas Matriz 2 (ver anexo) que una vez analizadas se obtuvo el siguiente resultado:
De las cinco termoelctricas slo una de ellas no tiene problema de ubicacin un rea protegida o de riesgo, lo que representa el 0.05%. El 0.6% contamina con NOx, SOx y COx; la causa se debe al uso de combustible derivado del petrleo; en los estudios no se indican las medidas a seguir para compensar la contaminacin. En los estudios de algunas de ellas se aplicaron modelos matemticos que permiti realizar y analizar una gran cantidad de datos y obtener los mejores resultados; ejemplo el termo gas de la ciudad de Machala, en su estudio ex ante, es decir, antes de su operacin. En cuanto a su ubicacin geogrfica cuatro de ellas estn ubicadas cerca de reas protegidas o a cuerpos de agua. La ubicacin ms crtica la tiene la planta termoelctrica El Descanso; todas sus aguas residuales van a directo al ro Tomebamba contaminndolo y afectando la salud de las personas y animales que van al ro, adems de estar ubicada en una zona de riesgo.
La cantidad de combustible con las que operan las termoelctricas vara de acuerdo a su capacidad de generacin de energa, en el caso de la Termoelctrica el Descanso su condicin tanto Por ubicacin como por los niveles mximos de emisin y sumado a esto Utilizado fue de 108.737 galones de disel para los motores-generadores y 51.922 por el caldero, el bunker utilizado 3`867.501 galones. Usan adems qumicos protectores (altamente peligrosos) para las bombas y motores, con sustancias nocivas para la salud.
La planta Termoesmeraldas, ubicada en el cantn Esmeraldas, incrementan las fuentes ms grandes de contaminacin y degradacin ambiental por ende la calidad del aire; 22 barrios son afectados por las chimeneas de los contaminantes gaseosos conteniendo, adems, material particulado[footnoteRef:4]. [4: Fuente: Publicacin enfermedades causadas por gases, de RAUL CASTAEDA]
1.4. Causas del problema, consecuencia.
Debido a la demanda de energa elctrica, reducir tanto el consumo como las emisiones contaminantes que conlleva resolver esta necesidad, y dado que afecta significativamente la calidad del aire siendo el principal contaminante el dixido de azufre (SO2)
Al investigar sobre las actividades del sector elctrico a nivel de pas, en la dcada de los 90, se generaba la electricidad por medio de plantas hidroelctricas; la demanda y el suministro de energa se convirti en un tema insostenible. La eficiencia de las plantas hidroelctricas del pas, dependan del caudal de los ros; la insuficiencia elctrica era uno de los grandes problemas que tenan que resolver los gobiernos. Debido a que el Ecuador es un pas petrolero surgi como solucin la implementacin de plantas termoelctricas usando combustibles derivados del petrleo.
Actualmente, se ha incrementado la capacidad del servicio con las termoelctricas grandes que el pas tiene pero, a la par, surgi el problema de la contaminacin; las emisiones de efecto invernadero que producen emitiendo principalmente NOx, SOx, COx y material particulado que afectan la calidad de aire y al ambiente, en general, con las afecciones consecuentes a la salud.
1.5. Delimitacin del problema
Para evaluar los impactos ambientales negativos que las plantas termoelctricas producen, se realizan Estudios de Impacto Ambiental y Auditoras Ambientales a fin de identificar, cuantificar y valorar los impactos que stas producen y plantear los respectivos Planes de Manejo Ambiental. En la actualidad, se est generalizando el uso y la aplicacin del modelo Matemtico, que consisten en frmulas matemticas probadas cientficamente, que simulan los eventos a producirse; hay modelos que inclusive, pueden predecir los niveles de contaminacin cuando la planta termoelctrica comienza a operar, el uso y empleo de estos modelas requieren que se realice monitoreos en distintos puntos, ya que si bien es cierto facilitan los clculos de contaminacin para su utilizacin es necesario contar con estos datos de monitoreos.
El alcance del Problema es la presentacin del Modelo Matemtico, a travs de un tutorial como herramienta de ayuda para la aplicacin del Modelo
El tema de Tesis es la aplicacin de un Modelo Matemtico, inicialmente se pretendi realizar el Estudio Ambiental de una Termoelctrica, con la aplicacin de un Modelo matemtico pero result imposible obtener la cantidad de datos necesarios que se requera para tal aplicacin, por lo que se plante el hecho de crear un Modelo Matemtico con su respectivo Tutorial, Es as como con la participacin de un experto en el tema se cre el MODELO MATEMTICO para ser utilizado por cualquier ambientalista que teniendo los datos necesarios podra hacer uso del mismo. El mismo que es original y agrupa Modelos de 5 Autores, de manera que el usuario puede decidir con cual modelo trabajar; asimismo escoger las condiciones meteorolgicas, que ms se adapten a su condicin
1.6. Formulacin del problema
El tema de tesis es la aplicacin de un modelo matemtico; inicialmente se pretendi realizar el Estudio de Impacto Ambiental de una planta termoelctrica, con la aplicacin de un Modelo Matemtico, pero result imposible obtener la cantidad de datos necesarios para tal aplicacin por lo que, se plante Crear un modelo matemtico con su tutorial respectivo para ser utilizado por cualquier ambientalista que teniendo los datos necesarios podra hacer uso del mismo.
Existe una variedad de modelos; todos ellos tienen, en comn, que parten de ecuaciones matemticas probadas cientficamente, y todos operan con una gran cantidad de datos; por lo tanto, para controlar las emisiones de las plantas termoelctricas, se requiere de un monitoreo diario, las 24 horas del da, durante todo el ao.
La mayora de termoelctricas no cuentan con los equipos para realizar tales mediciones de manera que estos servicios son contratados a empresas especializadas de manera que no es continuo. Se presentan Planillas con datos de Monitoreo. Ver Anexo 2
1.7. Evaluacin del problema
En todos los procesos industriales que impliquen combustin, los contaminantes principales son: dixido y monxido de carbono, xido de nitrgeno y azufre, causantes de alergias, afeccin a las mucosas, irritacin a los ojos y enfermedades al sistema respiratorio, adems, de ser contagiosa a travs de los estornudos y, por ltimo, enfermedades cardiovasculares. Las ciudades ms afectadas en el Ecuador, se evidencian en el cuadro: Caso de Afecciones Respiratorias (Ver Anexo 1)
Actualmente se est generalizando el uso de Modelos Matemticos no slo para termoelctricas, sino para otros campos de estudio, los mismos que tienen mucha importancia porque facilitan el trabajo.
Es a base de simulaciones que se plantea la solucin de problemas en este caso ambientales nos anuncia de manera anticipada y muy aproximada a la realidad que va a ocurrir.
Investigar lo referente a la dispersin de contaminantes emitidos a la atmsfera por las termoelctricas, describir de manera detallada las actividades que generan la dispersin de contaminantes a la atmsfera y como afectan a la comunidad y al ambiente.
1.8. Objetivos de la investigacin
1.8.1. General
Presentar un mtodo prctico y fcil de usar en el cual, cualquier persona pueda acceder y hacer uso del mismo a fin de realizar clculos para el caso de fuentes fijas: la concentracin de contaminantes a la atmsfera, la altura efectiva de chimenea (He) y conocer la calidad de aire lo que permitir predecir las consecuencias efectos o Impactos Ambientales que se generan en el entorno por la implementacin de una planta de generacin termoelctrica, a travs de la implementacin de un Modelo matemtico de dispersin de contaminantes a la atmsfera, que permita prevenir, mitigar, los impactos ambientales producidos por las emisiones producidas por las termoelctricas.
1.8.2. Especficos
Disear un Plan de Manejo Ambiental con las medidas adecuadas para la prevencin, el control, mitigacin y/o la compensacin causados por una central termoelctrica. Dicho Plan contemplar medidas para los siguientes contaminantes como son: NOx, SO2, Cox. Ya que en el presente estudio se ha determinado que son los ms importantes.
Implementar y aplicar un Modelo Matemtico de dispersin de gases contaminantes a la atmsfera que permita evaluar cuantitativamente los niveles de concentracin de los contaminantes, generados por una Central Termoelctrica.
1.9. Justificacin e importancia de la investigacin
La contaminacin atmosfrica tema de relevante importancia porque permite tener conciencia lo que sucede en la atmsfera respecto a dispersin de contaminantes a la atmsfera y concentracin de contaminantes se da a nivel de suelo, para su clculo se necesitara manejar una gran cantidad de datos, pero que con la utilizacin de los modelos matemticos de dispersin de tipo gaussiano, simplifica dicho clculo, los mismos que se basan en un conjunto de ecuaciones matemticas de origen cientficamente probadas las que permiten simular cierto comportamiento a los contaminantes que bajo condiciones meteorolgicos del lugar donde se encuentra la fuente emisora, se ingresan los diferentes datos, y obtenemos de manera muy aproximada por ejemplo la concentracin a nivel de suelo a diferentes distancias (m) desde el punto emisor, tambin se puede calcular la altura efectiva de chimenea.
1.10. Utilidad prctica de la investigacin
La elaboracin de un Plan de Manejo, la presentacin de un Modelo Matemtico Aplicable a Termoelctricas, con su respectivo tutorial, que finalmente servir como herramienta para la evaluacin de los Estudio de Impacto Ambiental para los casos de las termoelctricas, siempre y cuando se tengan los datos necesarios que requiere el Modelo, esto obliga a las empresas termoelctricas a realizar un monitoreo como lo exigen las leyes ambientales del Ecuador.
1.11. Cules sern los beneficios
El diseo del Plan de Manejo se lo realizar con respecto a los Contaminantes que se obtienen a travs del modelo es decir xidos de Nitrgeno NOx, SO2, CO2, debido a que se han utilizado datos de monitoreo de la termoelctrica Santa Elena II, a manera de anlisis se hizo un cuadro comparativo de ESTUDIOS AMBIENTALES correspondientes a 5 termoelctricas, realizadas por consultores particulares. En estos casos analizados falta informacin acerca de reas de Influencia Directa y reas de Influencia Indirecta, tampoco hay de estas termoelctricas Informacin del Monitoreo Ambiental.
CAPTULO II
MARCO TERICO
ANTECEDENTES DEL ESTUDIO
Desde la dcada de los 70, se empezaron a utilizar los modelos matemticos con resultados obtenidos de manera estndar; en la dcada de los 80, estos datos, se manejaron de manera especfica; actualmente los resultados son ms precisos bajo consideraciones meteorolgicas de la ubicacin de la fuente emisora, velocidad y direccin del viento, temperatura, presin atmosfrica y otros, y dems parmetros a considerar como datos de entrada para obtener resultados tales como la altura efectiva de la chimenea, los niveles de concentracin de los contaminantes a nivel suelo, y otros.
En la atmsfera, se producen una serie de reacciones fsico - qumicas presentndose, adems, la contaminacin proveniente de fuentes externas que provienen de procesos producidos por las industrias, fuentes fijas; dichos contaminantes salen a travs de las chimeneas, van a la atmosfera se producen reacciones y combinaciones de dichos contaminantes. En este punto, la aplicacin de modelos matemticos de dispersin de contaminantes resultan de mucha utilidad; siendo recomendada por organismos internacionales que controlan la contaminacin atmosfrica, tales como la OMS, la EPA y las leyes ambientales del Ecuador. Con estos modelos se pueden predecir, de manera bastante aproximada, los niveles de concentracin de los contaminantes especficos.
2.1. Fundamentacin Terica
2.1.1. Introduccin al uso de modelos matemticos.
(Orozco Barrenetxea, 2008) La ecuacin de dispersin gaussiana relaciona los niveles de inmisin en un punto con la cantidad de los contaminantes vertidos a la atmsfera desde la fuente emisora teniendo en cuenta las condiciones de emisin de los gases y las caractersticas climticas, topogrficas del medio receptor. Se considera que el viento, la humedad, la temperatura y las precipitaciones tienen un papel importante en el aumento o disminucin del contaminante.
2.2. Fundamentacin legal
(Ecuador, 2008) Constitucin Poltica de la Repblica del Ecuador; aprobada por la Asamblea Nacional Constituyente y el Referndum aprobatorio, que se encuentra publicado en el Registro Oficial No. 449 del da lunes 20 octubre del 2008.
Marco legal aplicado:
Convenios internacionales
Agenda 21.
Convencin sobre biodiversidad biolgica.
Protocolo de Kyoto
Convenio de Basilea
TITULO II: DERECHOS
Captulo Segundo: Derechos del buen vivir
Captulo Sptimo: Derechos del Naturaleza.
TITULO VIII: Rgimen del Buen Vivir
Captulo I: Inclusin y Equidad
Captulo 2: Biodiversidad y Recursos Naturales
Seccin Primera: Naturaleza y Medio Ambiente
Seccin Tercera: Patrimonio Cultural y Ecosistemas
Seccin Sexta: Agua
Normativa General
Ley de Gestin Ambiental
Ley de Rgimen de Sector Elctrico
Ley para la Constitucin Gravmenes y Derechos Tendientes a Obras de Electrificacin
Ley de Prevencin y Control de la Contaminacin Ambiental (LPCCA)
Cdigo de la Salud.
Texto unificado de la Legislacin secundaria del Ministerio del Ambiente.
Libro IV de la Calidad Ambiental, Decreto Ejecutivo 3399 R.O. 725 del 16 de Diciembre del 2002
Anexo 4: Norma de Calidad de Aire Ambiente o Nivel de Inmisin (Texto nico de Legislacin Secundaria del Ministerio del Ambiente TULSMA) R.O. No. 464 del 7 de Junio del 2011
Reglamento Sustitutivo al Reglamento a la ley de Rgimen del Sector Elctrico
Reglamento de Concesiones, Permisos y Licencias para la Prestacin de Servicio de Energa elctrica.
Reglamento Ambiental del Sector Elctrico (RAAE)
Reglamento General de la Ley de Patrimonio Cultural
Reglamento a la Ley de Gestin Ambiental para la Prevencin y Control de la Contaminacin Ambiental
Reglamento Sustitutivo del Reglamento Ambiental para las operaciones Hidrocarburferas en el Ecuador 1983 Productos Derivados del Petrleo
Para el desarrollo de la tesis presente, se toma en consideracin la norma tcnica ambiental aplicable al sector elctrico que constituye el Texto Unificado de Legislacin Secundaria del Ministerio del Ambiente, Libro IV Anexo 3, Norma de Emisiones al Aire desde Fuentes Fijas de Combustin, Literal 4.1.4.5, en el cual, se expresan los requisitos para la ejecucin adecuada de los modelos matemticos de dispersin de los contaminantes del planeta.
De tratarse de una o varias fuentes fijas nuevas significativas, o varias fuentes existentes modificadas, la evaluacin deber efectuarse mediante un modelo de dispersin del tipo detallado, con capacidad para incluir diferentes fuentes fijas, y con capacidad de predecir concentraciones de contaminantes para perodos de tiempo mayores a una hora, e inclusive, de predecir la concentracin anual de un determinado contaminante. Para esto, se utilizar un modelo de dispersin de caractersticas tcnicas similares a ISC, de la US EPA. Para efectuar predicciones de concentraciones de contaminantes por perodos de hasta un ao, el modelo, del tipo detallado, requerir el uso de los datos meteorolgicos hora por hora, y extensin, tambin, de un ao. La fuente fija significativa evaluar su impacto en la calidad del aire previa revisin de los datos meteorolgicos. Los datos meteorolgicos, a utilizarse, debern ser representativos para la ubicacin geogrfica de la fuente fija a evaluarse. El uso de un modelo de dispersin del tipo detallado hora por hora de los ltimos tres aos, como mnimo, previos a la etapa de proyecto de la nueva fuente, se extender, tambin, para el caso de un conjunto de fuentes fijas nuevas, o fuentes existentes remodeladas o modificadas, que estuvieren bajo la responsabilidad de una misma organizacin u operador, y, en que, se determine la emisin global de dicho conjunto de fuentes (artculo 4.1.3.3.) es significativa. [footnoteRef:5] [5: Fuente: Registro Oficial. Acuerdo Ministerial 028 del 13 de Febrero 2015]
(GeoEcuador, 2008) Segn Informes del CONELEC, en el perodo 1999 a 2008 (Ver Anexo Grficos) Grfico 4.1; se observa que la produccin de energa mediante las plantas hidroelctricas, dominante en ese tiempo, no cumplan los niveles esperados desde que se conform el sistema interconectado (aos 80), debido a la inversin escasa y es cuando las plantas termoelctricas pasan a predominar en cuanto a la produccin energtica y, en la misma proporcin, se aumenta y multiplican las emisiones de efecto invernadero.
Para el ao 2008, la importacin de la electricidad producida e importada superaron los 19000 GWh, de las cuales, el 38% corresponde a la produccin mediante plantas termoelctricas.
Considerando, a nivel mundial, el Ecuador, en emisiones slo aporta con el 1%, lo que resulta un porcentaje poco representativo, pero, a nivel nacional, se tiene lo siguiente:
El cambio de uso del suelo (deforestacin, aproximadamente el 70% de las emisiones del CO2)
El sector de energa y transporte (quema de combustibles fsiles, aproximadamente El 30% de las emisiones del (CO2); y El sector agrcola (aproximadamente el 70% de las emisiones de metano) [footnoteRef:6] (Ver ANEXO Cuadro 1) [6: Fuente (Comit Nacional del Clima, 2000). (Plan Nacional de Desarrollo 2007-2010, p.169).]
2.2.1. Matriz Energtica de produccin elctrica Grfico (9)
Evolucin de emisiones De CO2
(Tulsma, 2011) El Ecuador, ratific el 10 de diciembre de 1999, el Protocolo de Kioto, firmado en diciembre de 1997, y se comprometi a reducir las emisiones del dixido de carbono (CO2); pero, en el perodo 1999 al 2008, debido a la generacin de energa elctrica, el pas emiti ms de 5 millones de toneladas de dixido de carbono, Ver Anexo Grfico 9
La ley ambiental que a continuacin se transcribe, hace mencin de la aplicacin de los modelos matemticos, de manera que es vlido el uso y aplicacin de los mismos.
En las leyes ambientales (Tulsma) se aprueba mediante Registro Oficial del 13 de Febrero de 2015 Libro VI Anexo 3, sobre la Norma de Emisiones al Aire desde Fuentes fijas de Combustin, especficamente el 4.1.4.5 De tratarse de una o varias fuentes fijas nuevas significativas, o varias fuentes existentes modificadas, la evaluacin deber efectuarse mediante un modelo de dispersin del tipo detallado, con capacidad para incluir diferentes fuentes fijas, y con capacidad de predecir concentraciones de contaminantes para perodos de tiempo mayores a una hora, e inclusive, de predecir la concentracin anual de un determinado contaminante..
2.2.2. Hiptesis
Es posible que el uso y aplicacin del modelo, se pueda identificar, prevenir y mitigar los impactos causados por la termoelctrica.
La Hiptesis es de tipo descriptiva, en este caso, ya que puede ser sometida a verificacin.
2.2.3. Variables de la investigacin
Adems se definen 2 variables: Variable Independiente y Variable Dependiente.
a.- Siendo la variable independiente La contaminacin
b.- Variable dependiente es el hecho de suponer que con la aplicacin del Modelo de determinar los niveles de contaminacin y ser posible a poder realizar un diagnstico as como los respectivos correctivos y proponer un Plan de manejo.
Para poder hacer uso del modelo el usuario tendr que disponer de los datos necesarios, los mismos que se detallan en la Seccin del TUTORIAL detallado en el presente documento.
2.3. Fundamentacin Conceptual
2.3.1. Introduccin al uso del modelo
Las dispersiones de los contaminantes en la atmsfera provienen de chimeneas puede consistir en gases, solamente, y tambin puede contener partculas que miden entre 10 y 20 micras; al tener densidad baja, viaja a la velocidad de los gases; sin embargo, cuando se trata de partculas grandes, no se debe tratar igual ya que tienen una velocidad mayor de sedimentacin lo que hace que, a nivel del suelo, la concentracin de la contaminacin sea mayor en los sitios cercanos a la chimenea. Las emisiones para alcanzar una dispersin buena deben salir de la chimenea con movimiento suficiente para que contine su ascenso luego de su salida Cuando menor es la velocidad del viento la pluma puede elevarse suficientemente de manera que la contaminacin del suelo es baja.
Teniendo en cuenta que los modelos son representaciones matemticas por medio de los cuales se pueden simular ciertas condiciones meteorolgicas que permite predecir por ejemplo la concentracin de los contaminantes a nivel de suelo o en cualquier punto dentro de las reas de influencia de una fuente fija.
Para la aplicacin del modelo, se deben considerar los siguientes supuestos:
Que el flujo de emisin, se mantenga estable (rgimen estacionario).
Que la magnitud y direccin se mantengan constantes en el periodo de inters.
Que no existen barreras para la dispersin encima o por debajo de la fuente.
Que la fuente emita, de manera constante, un caudal Q.
Que la distribucin de la concentracin en los ejes perpendiculares al plano 0X es de tipo gaussiano.
Que un contaminante tiene densidad igual a la del aire.
2.3.2. Estabilidad y comportamiento de la pluma
La atmsfera es el medio que recibe todos los contaminantes; en este caso, el proveniente de las fuentes fijas a travs de chimeneas, que, a su salida generan el llamado pluma o penacho, que toma diferentes formas y comportamientos por la influencia de los factores meteorolgicos, as como el tiempo de duracin de la salida o el escape de los gases, la velocidad del viento, la estabilidad atmosfrica que depende del gradiente vertical de temperatura de las capas de aire. Conviene obtener datos de velocidad del viento y la estabilidad atmosfrica de las estaciones meteorolgicas del sitio; a veces, esto no es posible, Pasquill presenta una clasificacin de los estados atmosfricos, que esta en funcin de la insolacin y velocidad del viento.
2.3.2.1. Pluma en espiral
(Finkelstein P. L., 1983) La pluma en espiral, se produce en condiciones muy inestables debido a la turbulencia causada por el giro acelerado del aire. Mientras las condiciones inestables, generalmente, son favorables para la dispersin de los contaminantes, algunas veces, se pueden producir concentraciones altas momentneas en el nivel del suelo si los espirales de la pluma, se mueven hacia la superficie .
Figura 2 Pluma en espiral
Fuente: Finkelstein, P.L. y otros, Quality Assurance Handbook for Air Pollution Measurement Systems, 1983
2.3.2.2. Pluma en abanico
(Finkelstein P. L., 1983) Se produce en condiciones estables; no hay movimiento vertical debido al calentamiento de una capa de aire pero s horizontal y puede desplazar varios kilmetros en direccin del viento, lo cual ocurre, frecuentemente, en las primeras horas de la maana.
Figura 3. Pluma en abanico
Fuente: Finkelstein, P.L. y otros, Quality Assurance Handbook For Air Pollution Measurement Systems, 1983
2.3.2.3. Pluma de Cono
(Finkelstein P. L., 1983) Frecuentemente se produce en condiciones atmosfricas neutrales o ligeramente estables, caracterstica de los das nubosos o soleados entre las condiciones de la radiacin y el desarrollo de las condiciones diurnas inestables. Obviamente, un problema importante para la dispersin de los contaminantes, se debe a la presencia de una capa que acta como una barrera para la mezcla vertical. Muchas veces, esto puede influir en la concentracin de los contaminantes en el nivel del suelo.
Figura 4 Pluma de cono
Fuente: Finkelstein, P.L. y otros, Quality Assurance Handbook for Air Pollution Measurement Systems, 1983
2.3.2.4. Pluma de Flotacin
(Finkelstein P. L., 1983) Cuando las condiciones son inestables, la descarga de una inversin sobre sta da lugar a una pluma con una dispersin efectiva sin concentraciones notorias en el nivel del suelo alrededor de la fuente. Esta condicin, se conoce como flotacin.
Si la pluma se libera justo debajo de una capa de inversin se podra producir una situacin grave de contaminacin del aire, ya que por accin de la radiacin solar, el suelo, se calienta, en la maana; el aire que se encuentra en la capa que est hacia abajo, se vuelve inestable y cuando alcanza el nivel de la pluma, esta capa, se puede transportar rpidamente.
Figura 5 Pluma de flotacin
Fuente: Finkelstein, P.L. y otros, Quality Assurance Handbook for Air Pollution Measurement Systems, 1983
2.3.2.5. Pluma de Fumigacin
(Finkelstein P. L., 1983) Se origina cuando la pluma, se libera debajo de una capa de inversin; esta capa tiene un incremento de temperatura que se produce a miles de kilmetros; es posible que se desarrolle una contaminacin del aire. El suelo, por accin de la radiacin solar, se calienta y provoca inestabilidad; cuando, sta alcanza la altura de la pluma, el aire que est atrapado debajo de la capa de inversin, la vuelve inestable y los contaminantes se pueden transportar rpidamente y llegar al suelo con niveles altos de concentracin, lo cual, se lo puede prevenir con una altura adecuada de chimenea suficiente para prevenir tales eventos.
Figura 6 Fumigacin
Fuente: Finkelstein, P.L. y otros, Quality Assurance Handbook for Air Pollution Measurement Systems, 1983
2.3.2.6. Anlisis matemtico del modelo Gaussiano de dispersin
(Turner, 1969) Cuando discutimos el anlisis de fuentes puntuales de dispersin como es el caso de una chimenea, la pluma generada se podra representar como se aprecia en la figura 2.6.1 a pesar de que el origen de esta pluma se produce a una altura h (altura de la chimenea), esta se eleva una altura adicional h dada por la cantidad de movimiento que traen los gases por su velocidad vG de salida a boca de chimenea y por las diferencias de temperatura de estos gases con el medio circundante. Entonces la altura real desde donde se inicia la dispersin de los contaminantes est dada por:
Figura 7 Diagrama del penacho
Fuente: D.B. Turner, Workbook of Atmospheric Dispersion Estimates, Washington D.C.: HEW, 1969
(1)
Este punto por efecto de la energa que posee a su salida se ubica antes de la lnea de centro del punto de emisin (x=0). La situacin fsica que se presenta en la grfica 1 est fundamentada en la difusin de la masa de los contaminantes en las direcciones y & z, segn un elemento fluido que es arrastrado en la direccin x, con una velocidad de viento v - aire entonces para el desarrollo del modelo matemtico se hacen las siguientes simplificaciones que permiten desarrollar una ecuacin que ofrece un clculo viable.
Estado estacionario
Difusin despreciable de la masa en el plano x
Velocidad constante del viento Vaire
Coeficientes de difusiones constantes Dx, Dy, Dz; en las respectivas direcciones de los ejes coordenados.
No se considera la distancia de la fuente equivalente, a la posicin de la chimenea, por tanto, se asume que la fuente puntual est situada en x=0; a una altura dada por hREAL.
Un modelo que ofrece una buena representacin de un perfil de concentracin de contaminantes a favor del viento est dado por la siguiente expresin.
(2)
La constante K es arbitraria y est definida por las condiciones de frontera del problema atmosfrico especfico. Que se evala para estas situaciones, en este trabajo vamos a citar los resultados de estas evaluaciones.
Fuente puntual a nivel del suelo
En nuestro caso tenemos una fuente puntual individual, donde el valor de K toma la siguiente expresin.
(3)
Q = Flujo msico de la fuente de emisin
Si sustituimos la ecuacin 4; encontramos que la concentracin de un contaminante que ha sido emitido de una fuente puntual a nivel de suelo est determinada por la siguiente expresin.
(4)
Para una fuente de emisin a nivel de suelo las mximas concentraciones en los planos y & z deber tener lugar a lo largo de la lnea central a nivel del suelo, para estas condiciones se reorganiza la ecuacin 5 de acuerdo a las siguientes definiciones:
(5)
Esto nos lleva a una nueva relacin que esta expresada para la concentracin a favor del viento; desde una fuente puntual a nivel del suelo.
(6)
Las unidades para la concentracin gaseosa C est dada por las unidades de los trminos a la derecha de la expresin. Dentro de este contexto tenemos:
Fuente puntual a la altura h REAL por encima del suelo sin reflexin
Para la emisin de una chimenea con una altura efectiva hREAL; es necesario manipular el termino exponencial que contiene z2, en la ecuacin 6 para esto se debe sustituir z por (z hREAL); esta sustitucin no se la puede realizar de manera directa porque se altera el mtodo de la evaluacin de K. entonces se debe realizar una reevaluacin del coeficiente que queda determinado por la mitad del valor que se encontr en la ecuacin xx3. De modo similar el coeficiente situado delante de los trminos exponenciales tiene ahora la mitad del valor para la fuente en el terreno. Entonces tenemos que, para una fuente en un punto elevado de un contaminante gaseoso, sin reflexin el valor de la concentracin C est dado por:
(7)
La simplificacin ultima sin restriccin; cobra importancia, y la ecuacin anterior es una expresin adecuada para el clculo de la concentracin a favor del viento, hasta llegar a un punto donde se da que z = 0. En este punto tendremos una considerable reflexin del contaminante gaseoso, al difundirse regresivamente a la atmosfera desde el nivel del terreno.
Fuente puntual a la altura h REAL por encima del suelo con reflexin
Supondremos que para la situacin planteada (z = 0) en un modelo de este tipo se supone que la superficie terrestre no es un sumidero para un contaminante. Esto nos plantea la necesidad de modificar la ecuacin (7); para ello es necesario acudir a la figura xx1 donde podemos observar que la reflexin a cierta distancia x; corresponde matemticamente a hREAL una imagen de espejo de la fuente. Esta concentracin aumentada se puede estimar como una superposicin lineal de dos curvas de concentracin del tipo Gaussiano, una centrada en hREAL y una centrada en hREAL; esto equivale a sumar dos ecuaciones como las del tipo 9, sin embargo, una contiene un trmino (z + hREAL).
(8)
Otra situacin que debemos tener en cuenta es considerar la reflexin a nivel del terreno es la que considera la concentracin a nivel de suelo. Para este caso tenemos que z = 0 y la ecuacin 8 se transforma en:
(9)
Evaluacin de las desviaciones normales
Es claro que las ecuaciones evaluadas en la seccin anterior son vlidas para fuentes fijas, continuas a favor del viento, para su resolucin es necesario tener datos fsicos, (coordenadas x, y, z), el flujo msico de los contaminantes, y la altura efectiva de la pluma en su lnea central, adems se necesitan la velocidad del viento,
El valor apropiado de esta velocidad debera ser el valor promedio a travs de la pluma, sin embargo esto sera muy difcil de evaluar por que no se tiene datos atmosfricos, por tanto se suele aceptar la velocidad media del viento a boca de la chimenea y si no se dispone de este valor se utiliza el valor meteorolgico medio a una altura de 10 metros con la ecuacin que trata la variacin de la velocidad del viento como funcin de la altura z. finalmente se necesitan las desviaciones estndar como funcin de las condiciones meteorolgicas del sitio.
Hemos relacionado los valores de y y z (ec xx5 y xx6) con los coeficientes de difusividad de la masa de un gas a travs de otro medio en las direcciones y & z. por ello podramos colegir que de acuerdo a la descripcin fsica del problema de difusin las desviaciones horizontales y verticales y y z son una funcin de la posicin x a favor del viento, as como las condiciones meteorolgicas-
Muchos investigadores han trabajado en la evaluacin y correlacin de estos parmetros se han presentado normogramas para su lectura a distintas condiciones de estabilidad atmosfrica, en este grupo una de las ms aceptadas es el trabajo de Turner et al (se presentan estas graficas en el modelo, y pueden ser utilizadas para la lectura de las desviaciones standard y y z) dichas correlaciones estn calculadas aceptando las siguientes simplificaciones:
Las concentraciones estimadas con el uso de estas grficas corresponde a un tiempo de muestreo de 10 min.
Las desviaciones horizontales y verticales se basan en la representacin del terreno como si este fuera totalmente plano a campo abierto.
Las concentraciones estimadas representan aproximadamente apenas los cientos de metros ms bajos de la atmosfera.
En su investigacin Turner advierte e indica en el grfico con lneas punteadas, sobre la mayor parte del rango de la grfica de z son ms dudosos que los valores de y sobre todo a direcciones mayores a 1 km en direccin del viento.
Turner preparo una lista de las condiciones atmosfricas que son tiles para determinar cul de las 6 clases de estabilidad clasificadas por su equipo de trabajo; de la A hasta la F que aparecen en las grficas de es la ms adecuada para las condiciones locales en el clculo. Presentamos una tabla donde se muestra las claves para las distintas categoras de estabilidad, adems de los comentarios pertinentes para entender dicha tabla
Tabla 1 Clave de las categoras de estabilidad
Velocidad del viento superficial a 10 m(m/s)
Da
Noche
Radiacin solar entrante
Cubierta de nubes
Fuerte
Moderada
Ligera
En su mayora nublado
En su mayora despejado
Clase a
(1)
(2)
(3)
(4)
F
6
C
D
D
D
Fuente: D.B. Turner, Workbook of Atmospheric Dispersion Estimates, Washington D.C.: HEW, 1969
La clase neutral D, se debe suponer para condiciones de nublados durante el da o la noche. La clase A es la ms inestable y la clase F la ms estable, con la clase B moderadamente inestable y la clase E, ligeramente estable.
Cielos despejados, una altura solar mayor de 60 grados sobre el horizonte, tpicos de una tarde soleada de verano. Una atmsfera muy convectiva.
Un da de verano con algunas nubes dispersas.
Tpico de una soleada tarde de otoo, un da de verano con bajas nubes dispersas, un da de verano con cielos despejados y una altura del sol de solamente 15 a 35 grados sobre el horizonte.
Se puede usar tambin para un da de invierno.
Notas. - Cuando se estime la dispersin gaseosa de una fuente dada, se elegir usualmente la clase estabilidad tpica de la regin que conduzca al peor episodio de contaminacin posible.
Ahora las grficas para la lectura desarrolladas por Turner tanto para y cuanto para z son difciles de leer por su tamao, y se pierde algo de fiabilidad al hacerlo (las grficas se pueden utilizar en el modelo), es por esta causa que se presentan vas alternativas para obtener estas desviaciones standard y se presenta la tabla 1 que lista valores de y y z que tienen correspondencia a las seis clases de estabilidad estudiadas, tomando distancias seleccionadas arbitrariamente a favor del viento
Tabla 2 Valores aproximados de y y z como una funcin de las constantes que dependen de la estabilidad. Ntese que las constantes son diferentes
Distancia (km)
Clases de estabilidad y valores de y
Clases de estabilidad y valores de z
A
B
C
D
E
F
A
B
C
D
E
F
0.1
27
19
13
8
6
4
14
11
7
5
4
2
0.2
50
36
23
15
11
8
29
20
14
8
6
4
0.4
94
67
44
29
21
14
72
40
26
15
11
7
0.7
155
112
74
48
36
24
215
73
43
24
17
11
1.0
215
155
105
68
51
34
455
110
61
32
21
14
2.0
390
295
200
130
96
64
1950
230
115
50
34
22
4.0
550
370
245
180
120
500
220
77
49
31
7.0
880
610
400
300
200
780
360
109
66
39
10.0
1190
840
550
420
275
1350
510
135
79
46
20.0
2150
1540
1000
760
500
2900
950
205
110
60
Otra posibilidad de clculo nos las ofrece Martin (ref 5) al presentar unas expresiones algebraicas que ofrecen ajustes razonables para y y z, de acuerdo a parmetros cuyos valores estn listados en la tabla 3.
(10)
(10)
Tabla 3 Valores de las constantes por utilizar en la ecuacin (11) como una funcin de la distancia en la direccin del viento y de la condicin de estabilidad
Estabilidad
x1km x1km
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
Se reportan en la tabla 3 los valores de las 4 constantes que dependen de la estabilidad y la distancia, puesto que los valores cambian segn x sea mayor o menor que un kilmetro.
Evaluacin de la altura efectiva de la chimenea.
Podemos ver en todas las representaciones del fenmeno de la dispersin atmosfrica de contaminantes por fuentes puntuales localizan un origen virtual o equivalente a la altura efectiva hREAL, Esta se obtiene aadiendo a la altura de la chimenea, la altura de la pluma h. El clculo de la altura de la pluma ha sido propuesto por varios investigadores, y son tres conjuntos de parmetros quienes controlan el fenmeno de una pluma gaseosa que es ingresada a las corrientes de aire desde una chimenea.
Las caractersticas geomtricas de la chimenea
Las condiciones meteorolgicas del sitio
Las propiedades fsico-qumicas del gas.
A la fecha no se desarrolla un modelo que podamos afirmar que es superior en su pronstico en cuanto a la pluma del gas, cada uno de ellos aporta a la literatura tcnica su versin particular del fenmeno.
El modelo propuesto por Carson y Moses
(McMullen, 1975) Los investigadores realizaron un estudio donde comparaban valores observados de plumas calculadas con varias ecuaciones, concluyeron que sera necesaria mayor cantidad de clculos antes de presentar un modelo que ajuste de manera satisfactoria. Concluyeron que los modelos que estudian este fenmeno incluyen un trmino que calcula la cantidad de movimiento dada por le velocidad de salida del gas por la chimenea y un trmino de flotacin trmica que analiza la diferencia de temperaturas entre el gas de la chimenea y la del medio ambiente.
Finalmente, Moses y Carson presentaron tres modelos basados en las condiciones atmosfricas existentes en el punto de emisin y dispersin, basados en la siguiente clasificacin.
Condiciones atmosfricas inestables,
Condiciones atmosfricas neutrales y
Condiciones atmosfricas estables
Especficamente, estas tres ecuaciones son
(11)
(12)
(13)
Los investigadores finalmente presentaron un modelo global basado en los tres modelos anteriores
(14)
El clculo de Qh est dado por la siguiente expresin:
(15)
El modelo propuesto por Holland
El modelo propuesto por Holland parece mostrar mejor comportamiento para chimeneas altas, muestra un acuerdo bastante bueno con datos de observaciones, con una ligera tendencia a subestimar la elevacin de la pluma.
(15)
(McMullen, 1975)
Los smbolos del modelo de Holland son los mismos que hemos anotado para el modelo de Carson y Moses.
El modelo propuesto por Concawe
En otro estudio Moses y Kraimer revisaron 17 ecuaciones para la elevacin de las plumas con de 615 observaciones realizadas seleccionaron 26 predicciones que fueron buenos, entre ellos la propuesta de Concawe que baso su experiencia en datos tomados en Europa, sobre 26 pronsticos razonablemente buenos, estaban dos propuestas por Concawe (8). La frmula original de Concawe, basada en observaciones efectuadas en Europa, es
(16)
El modelo desarrollado con datos de la TVA
El modelo desarrollado por Concawe fue perfeccionado por Thomas et al, tomando datos de la TVA
(17)
2.3.2.7. Descripcin tcnica de una central termoelctrica
(McMullen, 1975) Partes que la componen:
Generador
Caldera
Turbina
Condensador
Sistema de enfriamiento
Sistemas auxiliares
Obras civiles:
Casa de mquinas
Edificio elctrico
Chimeneas
Tanques de almacenamiento de combustible
Torre de enfriamiento
Obra de toma
Edificios menores
2.3.2.8. Funcionamiento de una central trmica
Las centrales trmicas transforman la energa qumica y un combustible en energa elctrica.
Se calienta el agua, bombeada mediante tuberas, en una caldera que funciona con la energa de combustin del combustible fuel oil # 6.
Se transforma en vapor.
Se sobrecalienta mediante presin y temperaturas altas del combustible.
El vapor, se calienta tanto que pasa hasta una turbina.
La turbina est acoplada a un alternador que es el que finalmente produce energa elctrica. El agua regresa a su estado lquido por medio de la condensacin; el ciclo, se repite y el agua volver a la caldera previa al calentamiento.
CAPITULO III
METODOLOGIA
3.1. Modalidad de la Investigacin
El uso de los modelos matemticos tuvo sus inicios desde la dcada de los 70 en que mostraban soluciones genricas; es a partir de la dcada de los 80 hasta la fecha que estos modelos han dado un giro impresionante progresando las investigaciones hasta llegar a determinar las ecuaciones sobre las cuales se basan los modelos. Actualmente modelos elaborados en laboratorio, el modelo planteado est realizado en Excel y fue sometido a pruebas de manera que los resultados sean muy aproximados a la realidad.
Para la aplicacin del modelo, se requieren muchos datos, obtenidos por medio de los monitoreos que las plantas termoelctricas estn obligadas a realizar; en el Anexo No 2, se presentan datos obtenidos de una planta termoelctrica de la provincia de Santa Elena, en los cuales se observan que, si se quisiera aplicar el modelo, no se podra porque hay datos que faltan, asimismo, hay otros datos que los deben proporcionar el fabricante del caldero.
Para el planteamiento del modelo matemtico de dispersin de contaminantes en la atmsfera, se toma en consideracin lo indicado en el Texto Unificado de Legislacin Secundaria del Ministerio de Ambiente (TULSMA), establece que para la identificacin y evaluacin de los impactos ambientales producidos por las fuentes fijas significativas de combustin, debe recurrirse al uso de herramientas matemticas como los modelos de dispersin de los contaminantes atmosfricos.
3.2. Tipo de investigacin
La investigacin es de tipo documental, bibliogrfica, estudios referentes al tema, sitios web, blog de universidades as como videos presentados de docencia en universidades de otros pases, Documentos realizados por entidades que rigen el sector elctrico en el pas, Estudios ambientales realizados por Compaas consultoras privadas del pas a diferentes plantas termoelctricas, lo que sirvi para reforzar los criterios de anlisis en la elaboracin del documento final.
El marco legal vigente es un aval para la propuesta del modelo matemtico que permita medir la concentracin de la dispersin de los contaminantes, la altura efectiva de la chimenea; dicha elevacin est determinada por la elevacin de la pluma o el penacho a la salida de la chimenea,
Corresponde a la modalidad de tipo investigativo y cientfico ya que se basa en documentos cientficos, en modelos matemticos creados por expertos, bajo criterios cientficos que han determinado cierta aplicacin de hiptesis tales como la estabilidad atmosfrica, la curva que presentan estas emisiones son de tipo gaussiana, es decir, moderada o neutra.
El modelo gaussiano de fuente puntual continua que se va a tratar en este documento que supone como hiptesis de partida que las concentraciones de contaminante en cualquier punto considerado viento abajo estn estabilizadas y no dependen del tiempo. Este modelo describe el comportamiento de los gases/vapores de fuerza ascensional neutra, dispersados en la direccin del viento y arrastrados a la misma velocidad. [footnoteRef:7] [7: Ref. Nota Tcnica, Autores: Emilio Turmo Sierra Ingeniero Industrial y Jos M Cusc Vidal Ingeniero Tcnico Qumico]
Como ya fue expresado, los modelos matemticos estn sustentados por un conjunto de frmulas que representan eventos de dispersin de contaminantes, bajo condiciones establecidas que permiten conocer concentraciones bastante aproximadas a la realidad. A continuacin, se presentan las frmulas principales que utiliza el modelo para realizar los clculos de las concentraciones de contaminantes; los cientficos han realizado ajustes a estas ecuaciones matemticas considerandos ciertos supuestos tales como:
Que la contaminacin emana de una fuente fija.
Que el proceso es de estado estacionario.
Que la velocidad del viento sea menor a 15 s.
Se escoge la direccin principal del transporte de los contaminantes debida al viento para que vaya paralelo al eje de las X.
Se selecciona la velocidad del viento para que sea constante en cualquier punto de las coordenadas X, Y, Z.
La ecuacin 1 es aquella general en las que lowry y Boubel dan solucin a la ecuacin general; pero, sta an presenta errores es as como luego de ir corrigiendo errores basados en consideraciones cientficas, se llega la ecuacin del modelo de Gaus.
CAPITULO IVPROPUESTA
4.1. Elaboracin de un modelo matemtico
Elaboracin de un modelo matemtico con el respectivo tutorial para el ingreso de los datos fcilmente comprensibles, tanto durante el ingreso de la informacin como durante la interpretacin de los resultados generados.
Una de las fuentes contaminantes principales son las termoelctricas, vinculadas directamente con la demanda alta del consumo elctrico
4.1.1. Modelo matemtico de dispersin
El modelo matemtico de transporte y difusin de los contaminantes es una representacin numrica estadstica del comportamiento de los gases y/o las partculas en el aire, dentro de un rea determinada de influencia directa e indirecta.
Con la colaboracin de un experto en modelo matemtico se desarroll un simulador de modelo de dispersin lo que permite predecir algunos datos tales como:
La concentracin del contaminante a nivel de suelo.
La altura efectiva de la chimenea.
La concentracin del contaminante a nivel del suelo, entre otros.
4.1.2. Metodologa para la obtencin de las concentraciones
Una vez conocidas las condiciones meteorolgicas bajo las cuales se produce la dispersin de las emisiones en el aire ambiente y descritas las caractersticas principales del modelo de dispersin a utilizarse, se procede a ejecutar el modelo para los contaminantes principales del aire, cuyas concentraciones mximas permisibles, se encuentran reguladas en el Texto Unificado de la Legislacin Secundaria del Ministerio de Ambiente, Libro VI, Anexo 4.
Como parte de este estudio desarrollado para evaluar los impactos ambientales negativos posibles al entorno generados por la operacin futura (cunto aproximadamente de los motores de combustin interna para la generacin termoelctrica, que funciona en todo el pas, se procedi a evaluar uno de los aspectos ambientales principales vinculados a la operacin de las fuentes de combustin, como es el impacto de stas sobre la calidad del aire ambiente de la zona circundante a su punto de ubicacin.
La legislacin ambiental secundaria define a las fuentes fijas de combustin como significativas, cuando la potencia calorfica de entrada de las mismas sobrepasa los 10 millones de Unidades Trmicas Britnicas por hora (Btu/h), en cuyo caso, se requerir evaluar la fuente en trminos del impacto a la calidad del aire que puede inducir la operacin de estas fuentes.
4.2. Descripcin de la propuesta
Se trata de la presentacin de un modelo matemtico de dispersin de contaminantes a la atmsfera, de manera continua por una fuente fija como son los motores de combustin con las que funcionan las plantas termoelctricas con su tutorial respectivo, mediante el cual, se obtienen datos bastante aproximados a la realidad. Es posible calcular:
La altura efectiva de la chimenea.
Los niveles de concentracin del dixido de azufre.
Las concentraciones de los xidos de nitrgeno.
Dixido de carbono
La concentracin, a nivel de suelo, y en cualquier punto o distancia de la fuente emisora.
Como no se pudo realizar un estudio de impacto ambiental por falta de datos, se detallan las siguientes recomendaciones
Deberan estar ubicadas en lugares perifricos
El uso de suelo de tipo residencial debera ser prohibido por lo menos en un radio de accin mayor a 1.000 m pues lo estipula el CONELEC, como rea de Influencia Indirecta (AII)
Adems, deberan tener un rea vegetal de amortiguamiento de por lo menos 500 metros.
4.2.1. Presentacin del modelo matemtico:
Se trata de un visor en el cual, se ingresan los datos requeridos, definiendo las condiciones meteorologicas a considerar y siguiendo el manual o tutorial en el cual no slo est este modelo sino tambin modelos de laboratorio aprobados por la EPA. Este modelo es aplicable en plantas termoelctricas en funcionamiento u operacin.
MODELO MATEMTICO
Diametro de la chimenea
m
MODELOS DE CARSON Y MOSES
Temperatura de viento a boca de chimenea
K
Condiciones atmosfericas para la ecuacin de Carson y Moses
Condiciones Estables
Temperatura de gas a boca de chimenea
K
CALCULOS SALIDA DEL SISTEMA
Velocidad viento a boca de la chimenea
m/s
PARAMETRO
UNIDADES
VALOR
Velocidad de gas a boca de chimenea
m/s
Flujo Masico
Kg/s
30
Presin de gas a boca de chimenea
atm
Flujo de Calor
K J/s
10128.375
Capacidad Calorifica del gas Cp
KJ / KgC
Elevacin de la Pluma
m
109.2507447
MODELO DE HOLLAND
MODELOS PRESENTADOS POR LA TVA
PARAMETRO
UNIDADES
VALOR
Condiciones atmsfericas para los Modelos de la TVA
Elevacin de la Pluma
m
Tipos de Chimemeas
MODELO DE CONCAWE
Gradiente de Temp potencial (K/100)
PARAMETRO
UNIDADES
VALOR
Elevacin de la Pluma (m)
Flujo de Calor
K J/s
ALTURA EFECTIVA DE LA CHIMENEA
Elevacin de la Pluma
m
PARAMETRO
UNIDADES
VALOR
MODELO DE BRIGGS
Elevacin de la Pluma
m
109.2507447
PARAMETRO
UNIDADES
VALOR
Altura de la chimenea
m
14
Coeficiente de Briggs
adimensional
Altura Efectiva de la Chimenea
m
123.2507447
Elevacin de la Pluma
m
MODELO GAUSSIANO DE DISPERSION CON REFLEXION SOBRE EL TERRENO
COORDENADAS ESPACIALES
LECTURAS DE LAS CATEGORIAS E ESTABILIDAD
FLUJO MASICO Q (gr/s)
PARAMETRO
VALOR
RADIACIN SOLAR ENTRANTE EN DIA
FUERTE
1/30/1900 0:00
Distancia al plano Y (m)
0
CLAVE DE CATEGORIAS DE ESTABILIDAD
Altura Z (m)
0
CLASE
A
DETALLE DE CLASES
La clase A es la mas inestable
CALCULOS PARA MODELO
MODELO SELECCIONADO
Fuente Puntual a nivel del suelo con reflexin, sin vientos laterales
TABLA PARA LECTURAS DE DESVIACIONES NORMALES COMO FUNCIN DE LA DISTANCIA
CONCENTRACION DEL GAS
FECHA DE CALCULO
DISTANCIA X (Kms)
Desviacin Standard al plano Z (mts)
Desviacin Standard al plano Y (mts)
Concentracin NOx (ug/m3)
Concentracin C02 (ug/m3)
Concentracin SO2 (ug/m3)
2/11/2016 2:28
0.5
124.0701259
114.6195733
215.7760393
2/11/2016 2:28
1
450.07
213
50.49793918
2/11/2016 2:28
1.5
1064.907869
306.059024
15.31763745
2/11/2016 2:28
2
1952.997832
395.8224472
6.488596562
2/11/2016 2:28
2.5
3121.961044
483.2122896
3.329000748
2/11/2016 2:28
3
4577.797897
568.7560183
1.929646495
2/11/2016 2:28
3.5
6325.49291
652.7944224
1.216927013
2/11/2016 2:28
4
8369.321576
735.5653039
0.81631767
2/11/2016 2:28
4.5
10713.03462
817.2437177
0.574017245
2/11/2016 2:28
5
13359.9778
897.9637136
0.418923551
2/11/2016 2:28
5.5
16313.1743
977.8311043
0.315067104
2/11/2016 2:28
6
19575.38404
1056.931451
0.242913729
2/11/2016 2:28
6.5
23149.14776
1135.335308
0.191228437
2/11/2016 2:28
7
27036.82073
1213.101811
0.153235855
2/11/2016 2:28
7.5
31240.59915
1290.28121
0.124683985
2/11/2016 2:28
8
35762.54121
1366.916707
0.10281223
2/11/2016 2:28
8.5
40604.5842
1443.045826
0.085774973
2/11/2016 2:28
9
45768.5585
1518.701447
0.072306371
2/11/2016 2:28
9.5
51256.19933
1593.91261
0.061518483
2/11/2016 2:28
10
57069.15658
1668.705139
0.052775908
2/11/2016 2:28
10.5
63209.0032
1743.102143
0.045615788
2/11/2016 2:28
11
69677.24239
1817.124416
0.039695519
2/11/2016 2:28
11.5
76475.31378
1890.790766
0.034757816
2/11/2016 2:28
12
83604.59886
1964.118279
0.030606911
2/11/2016 2:28
12.5
91066.4257
2037.122545
0.027092054
2/11/2016 2:28
13
98862.07314
2109.817841
0.024095879
2/11/2016 2:28
13.5
106992.7744
2182.21729
0.021526085
2/11/2016 2:28
14
115459.7206
2254.332994
0.019309408
2/11/2016 2:28
14.5
124264.0633
2326.176144
0.017387191
2/11/2016 2:28
15
133406.9175
2397.757119
0.015712094
Tutorial modelo de dispersin
El modelo desarrollado en este trabajo puede ser utilizado para el clculo de la dispersin de contaminantes emitidos de manera continua por una fuente puntual, como por ejemplo las Chimeneas de los generadores de calor en las plantas termoelctricas que se presenta una captura de pantalla de la hoja de clculo de salida donde, se reporta la altura efectiva de la chimenea, con sus parmetros de ingreso y las salidas de los diferentes modelos utilizados por el sistema para realizar los clculos. La Hoja de Clculo est dividida en Secciones, donde se ingresan los parmetros necesarios para que el Sistema reporte las salidas de acuerdo al modelo seleccionado. Hay una seccin de botones de accin para las aplicaciones para realizar los clculos.
El botn permite acceder a un formulario llamado ; en este formulario se presentan los parmetros de ingreso para el clculo de la altura efectiva, as como los diversos modelos propuestos para el clculo.
El usuario tiene la oportunidad de seleccionar las condiciones de trabajo que ms se ajusten a sus necesidades, y a datos de entrada que posee. Luego de pulsar el botn , el sistema enva un mensaje que orienta a empezar a utilizar el modelo.
Al pulsar el botn se accede al formulario para la altura efectiva de la chimenea>. El Sistema te orienta a la seccin llamada
Elaboracin:
Se pueden ingresar los parmetros de manera secuencial, con la tecla TAB; en el siguiente orden:
1. Temperatura del viento a boca de chimenea (K).
2. Velocidad del viento a boca de chimenea (m/s).
3. Temperatura del gas a boca de chimenea (K).
4. Velocidad del gas a boca de chimenea (m/s).
5. Dimetro de la chimenea (m).
6. Presin del gas a boca de chimenea (KPa).
7. Capacidad calorfica del gas de chimenea a presin constante (KJ/KgC).
8. Altura de la chimenea (m)
Ejercicio de clculo:
Se plantea una situacin de contaminacin por fuentes fijas con la siguiente informacin:
Una chimenea, de 60 metros de altura y 2,5 metros de dimetro, emite SO2 a una tasa de 0,85 kg/s, con una velocidad de salida a boca de chimenea de 6,9 m/s, a una presin de 140 KPa. La temperatura del gas, en esas condiciones es de 510 K y su capacidad calorfica es de 1,17 KJ/Kg C. La descarga, se produce en una tarde con radiacin solar ligera en verano, con una temperatura media de 305 K y vientos promedios de 4,8 m/s. Calcular la dispersin del contaminante a nivel de suelo a partir de 500 metros del punto emisor en 40 puntos equidistantes 500 metros entre s. Representar grficamente la variacin de la concentracin del SO2 como funcin de la distancia, en la direccin del viento y reportar en la grfica el punto de contaminacin mxima.
Desarrollo:
Los datos se ingresan en la seccin determinada del formulario y la hoja de clculo presentada a continuacin:
Terminado el ingreso de los parmetros, se contina a la seccin siguiente . Dentro de ella, a la subseccin , segn observamos en la figura siguiente.
Elaboracin:
Las opciones para el clculo de la altura efectiva H, que ofrecen el sistema son:
1. Modelo de Carson y Moses.
2. Modelo de Holland.
3. Modelo de Concawe .
4. Modelo de Briggs.
5. Modelos presentados por la TVA.
Cualquier opcin que el usuario seleccione, el sistema lo guiar a travs de los procedimientos necesarios para completar al clculo. Para este ejercicio, se seleccion el modelo propuesto por Briggs.
Elaboracin:
El sistema pide ingresar los parmetros que necesita para realizar los clculos del modelo seleccionado; en este caso, el modelo de Briggs.
Elaboracin:
; a las condiciones atmosfricas establecidas es neutro (se toma como cero o muy prximo al cero).
Se observa la salida de los clculos del modelo: el coeficiente de Briggs, la elevacin de la pluma y la altura efectiva de la chimenea.
Elaboracin:
Segn la literatura tcnica, los diferentes modelos a las mismas condiciones de operacin presentan salidas muy diferentes; esto es producto que los modelos son empricos. Para calcular la altura efectiva de la chimenea utilizando los diferentes modelos que considera la aplicacin.
El modelo de Carson y Moses
Elaboracin:
Al seleccionar la opcin ; el sistema pide seleccionar las condiciones atmosfricas para calcular la ecuacin:
Elaboracin:
El modelo coloca el cursor sobre el cuadro combinado ; de la lista, se escoge la opcin que ms ajuste a las condiciones de trabajo.
Elaboracin:
Seleccionan las condiciones estables, para que el sistema proceda a realizar los clculos y presentarlos en los cuadros respectivos de la seccin escogida. El modelo, tambin, ingresa los clculos a medida que se ejecutan en la seccin especfica de la hoja de clculo.
Elaboracin:
Modelo de Holland:
Si el usuario selecciona el modelo de Holland, el sistema realiza los clculos de manera inmediata y los presenta en la seccin respectiva tanto en el formulario cuanto en la hoja.
Modelo de Concawe:
Al seleccionar la opcin para el modelo de Concawe; el sistema realiza los clculos de manera inmediata, presentndolos en el formulario y la hoja.
Elaboracin:
Modelos presentados por la TVA:
Elaboracin:
Al seleccionar los , el sistema direcciona a la seccin, .
Elaboracin:
El mensaje de sistema presentado pide seleccionar .
Elaboracin:
Se selecciona la opcin y, se presenta un cuadro de informacin del sistema, que pide la seleccin del tipo de chimenea para trabajar.
En la seccin el sistema nos ofrece dos opciones:
1. Ecuacin general para chimeneas altas, con una distancia aproximada al foco emisor de 1800 m (distancia promedio, a la que, se considera se logra la elevacin mxima de la pluma).
2. Chimeneas de alturas medias & bajas cuya elevacin de la pluma es una funcin de la distancia al foco emisor.
Con la opcin de chimeneas altas, el sistema enva un mensaje para que sea seleccionado un gradiente de temperatura. Para condiciones neutrales, el gradiente es muy cercano al 0, por lo que, se selecciona el valor 0,01 para obtener resultados del sistema.
Elaboracin:
Cualquiera que sea el modelo seleccionado en la hoja , se reporta la .
Elaboracin:
A este punto se terminan los clculos en el formulario , los resultados quedan reportados tanto en el formulario cuanto en la hoja . Se continan los clculos en el formulario siguiente pulsando el botn .
Elaboracin:
Se presenta el formulario ; un mensaje del sistema orienta .
Seleccionamos la velocidad del viento 4.8 m/s, del cuadro combinado correspondiente y el sistema pide seleccionar una de las condiciones de estabilidad, desde la seccin .
Seleccionando una . A las condiciones de ingreso (velocidad del viento y condiciones atmosfricas), el sistema devuelve la clase C . Luego, en un mensaje pide seleccionar el contaminante hasta calcular en la seccin .
Elaboracin:
Se selecciona y el sistema enva un nuevo mensaje que pide ingresar el . Luego, debe especificar en la horizontal (plano de las X), si desea evaluar la contaminacin a una distancia X del punto emisor en un solo punto o vector de puntos con intervalos constantes. Si por error se selecciona primero el Vector X, el sistema le enva un mensaje insistiendo que primero debe ingresar el flujo msico del contaminante sobre el que va a trabajar.
Elaboracin:
El flujo msico del contaminante es un dato del problema 0,85 Kg/s; por tanto, se lo ingresa en el cuadro del correspondiente texto.
Elaboracin:
Ingresado el flujo, se selecciona la opcin de la distancia X, en la seccin ; se selecciona la opcin ; el sistema pide ingresar la ; el , adems del nmero de puntos, para realizar el clculo.
Con la informacin del problema: calcular la dispersin del contaminante a nivel de suelo a partir de los 1000 metros del punto emisor en 20 puntos equidistantes 1000 metros entre s. Representar grficamente la variacin de la concentracin del SO2 como funcin de la distancia, en la direccin del viento y reportar en la grfica el punto de contaminacin mxima.
Elaboracin:
Se selecciona las desviaciones normales para utilizarlas en nuestras ecuaciones de diseo desde la seccin . Primero el ; el sistema enva un mensaje pidiendo el ingreso la clase estabilidad en la seccin .
Luego del ingreso en este caso, la Categora C, se calculan las desviaciones normales para el Plano Y; se debe repetir el proceso para el , siguiendo las instrucciones del sistema obtenindose las desviaciones necesarias.
Elaboracin:
Tanto la cuanto la para este caso, son 0; se ingresan estos valores. El formulario, se redimensiona con la seccin ; y enva un mensaje del sistema para escoger el tipo de clculo requerido.
Elaboracin:
Seleccionando ; que es la opcin que pide el problema de estudio. Una vez hecha la seleccin, el sistema desactiva las dems opciones y slo deja activa la escogida.
Elaboracin:
Cerrar el formulario pulsando, en la X clsica para cerrar ventanas en Windows
ubicada en la parte superior derecha. En la hoja llamada se observan los resultados.
El modelo reporta fecha del clculo, distancias X al punto de emisin, las desviaciones standard al plano Y & la Altura Z, y la concentracin del contaminante en cada punto estudiado.
Se presenta un grfico de los datos encontrados vs . Para ello, en los botones de accin, se pulsa el botn .
Elaboracin:
En el formulario ; se seleccionan los contaminantes a graficar desde la seccin . Pero, primero se debe informar, al sistema, si se requiere introducir una nueva grfica o realizar la primera grfica.
Elaboracin:
En el caso analizado, la respuesta es ; el sistema crea una hoja en una nueva hoja llamada . El sistema enva un nuevo mensaje que pide seleccionar el tipo de contaminante para graficar.
Elaboracin:
Se encuentra la grfica de contaminacin; en ella, se observa que el punto de contaminacin ms alto est alrededor de los 3000 metros. La grafica presenta un modelo matemtico de ajuste as como el factor R2, para medir la bondad del ajuste.
Elaboracin:
TUTORIAL MODELO DE DISPERSIN
El modelo desarrollado en este trabajo puede ser utilizado para el clculo de la Dispersin de Contaminantes emitidos de manera continua por una fuente puntual, como por ejemplo las Chimeneas de los generadores de calor en las Plantas Termoelctricas. Presentamos una captura de pantalla de la hoja de clculo de salida donde se reporta la Altura Efectiva de la Chimenea, sus parmetros de ingreso y las salidas de los diferentes modelos utilizados por el Sistema para realizar los clculos.
Podemos notar que la Hoja de Clculo est dividida en Secciones, donde se ingresan los parmetros necesarios para que el Sistema reporte las salidas de acuerdo al Modelo Seleccionado. Hay una seccin de botones de accin que nos llevan a las aplicaciones con las que podemos realizar los clculos.
El botn nos permite acceder a un Formulario llamado ; en este formulario se presentan los parmetros de ingreso para el clculo de la Altura Efectiva, as como los diversos modelos propuestos para el clculo.
El usuario tiene la oportunidad de seleccionar las condiciones de trabajo que ms se ajusten a sus necesidades, y a los datos de entrada que posee. Luego de pulsar el botn , el sistema nos enva un mensaje que nos orienta la manera como empezar a utilizar el modelo.
Debemos pulsar el botn ; para llegar al formulario para la . El Sistema te orienta a la seccin llamada .
Se pueden ingresar los parmetros de manera secuencial, con la tecla TAB; (se utiliza la tecla TAB para moverse entre los cuadros de texto, de acuerdo al orden presentado