Modelarea Transportului Poluantilor In Atmosfera Rezultati din Functionarea Unei Fabirici de Panificatie

Cuprins:

1. Transportul și dispersia poluanților în atmosferă…………………………………………………4

3. Modele matematice pentru calculul transportului și dispersiei poluanților în atmosferă 32

3.1. Descriere generală 33

3.2. Programul de calcul 34

3.2.1. Principalele variabile folosite în program 34

3.2.2. Instrucțiuni de utilizare 35

3.2.3. Concluzii referitoare la programul de calcul……………………………………….40

4. Studiu de caz…………………………………………………………………………..42

4.1. Date generale……………………………………………………………………42

4.2. Date generale în programul de calcul…………………………………………42

4.3. Modalitatea de calcul……………………………………………………………44

4.4. Variante de calcul……………………………………………………………….48

5. Concluzii………………………………………………………………………………53

Lista figurilor:

Figura 1.1 Transportul de aerosoli si gaze pe distante lungi 10

Figura 1.2 Instabilitate absoluta 11

Figura 1.3 Stabilitate absoluta 12

Figura 1.4 Inversiune termica 13

Figura 2.1 Distributia gaussiana 17

Figura 2.2 Schema de evolutie a unei pene dela o sursa punctiforma 22

Figura 2.3 Evolutia penei de gaze de emisie pentru Δh>0 23

Figura 2.4 Evolutia penei de gaze de emisie pentru Δh<0 23

Figura 2.5 Anmosfera instabila 25

Figura 2.6 Variatia temperaturii si a presiunii in functie de altitudine 26

Figura 2.7 Graficul functiei Φ 27

Figura 2.8 Conditiile de instabilitate foarte accentuate Ri<0 30

Figura 2.9 Conditii de stabilitate aproape neutre Ri=0 30

Figura 2.10 Conditii de stabilitate accentuate Ri>0 30

Figura 2.11 Inversiune termica tip A 31

Figura 2.12 Inversiune termica tip B 31

Figura 2.13 Ocolirea unui munte (deal) 31

Figura 2.14 Denivelare pozitiva 32

Figura 3.1 Fereastra principala a programului 36

Figura 3.2 Forma grafic 37

Figura 3.3.a Parametrii retelei 38

Figura 3.3.b Parametrii meteorologici 39

Figura 3.3.c Parametrii de emisie 39

Figura 3.4 Fereastra de creare a listei de izohipsie 40

Figura 4.1 Plan de incadrare in zona a SC ALKA CO SRL 43

Figura 4.2 Roza vanturilor in Bucuresti 51

Figura 4.3 Dispersia norului de NOx 54

Figura 4.4 Dispersia norului de CO 55

Lista tabelelor:

Tabelul 2.1 Clasele de stabilitate 18

Tabelul 3.1 Clasele de stabilitate a atmosferei dupa Pasquill 34

Tabelul 3.2 Clasele de stabilitate a atmosferei dupa Gifford 34

Tabelul 4.1 Capacitatea de productie aferenta 2002:1300t/an 43

Tabelul 4.2 Capacitatea de productie aferenta 1999:1000t/an 43

Tabelul 4.3 Caracteristici de ardere ale CH4 44

Tabelul 4.4 Debite masice calculate prin AP42/1995 45

Tabelul 4.5 Debite masice calculate prin AP42/1995 45

Tabelul 4.6 Debite masice calculate prin AP42/1995 45

Tabelul 4.7 Debite masice calculate prin AP42/1995 46

Tabelul 4.8 Debite masice calculate prin AP42/1995 46

Tabelul 4.9 Calculul concentratiilor pentru poluantul NOx 48

Tabelul 4.10 Calculul concentratiilor pentru poluantul CO 49

Tabelul 4.11 Concluzii pe baza hartilor de izoconcentratii 52

1. TRANSPORTUL ȘI DISPERSIA POLUANȚILOR ÎN ATMOSFERĂ

Introducere

Poluantul reprezintă substanța care se găsește sub orice formă de agregare sau o formă de energie de tip electromagnetic, termic, fonic sau vibrații, care introdusă în mediul ambiant produce efecte negative asupra acestuia.

Formele de agregare ale poluantului sunt:

Substanța:

solidă

lichidă

gazoasă

Mediul ambiant se compune din:

atmosferă

ape de suprafață

ape subterane (medii acvatice)

sol

subsol

Surse de poluare:

Acestea sunt multiple și se pot localiza:

la suprafața terenului

în subteran

Acestea pot fi :

antropice

naturale

În majoritatea cazurilor, este dificil de a face o distincție clară între sursele poluării determinate de om și cele declanșate de cauze naturale.

O clasificare generală a surselor de poluare prezintă 6 categorii de activități care generează fenomene de poluare:

surse de poluare datorate unor construcții și instalații destinate evacuării anumitor substanțe în mediu (conducte de canalizare, rezervoare septice, coșuri de evacuare a gazelor de ardere etc.)

surse de poluare datorate unor construcții pentru depozitarea și/sau tratarea unor substanțe(depozite de deșeuri neimpermeabilizate, rezervoare subterane sau supraterane)

surse de poluare datorate unor construcții pentru transportul unor substanțe (conducte de tip industrial pentru transportul unor anumite substanțe chimice sau al apelor uzate)

surse indirecte (irigații, folosirea pesticidelor, ierbicidelor, fertilizanților, depozite de deșeuri, ape uzate și ape din precipitații încărcate cu substanțe poluante etc.)

surse de poluare datorate unor construcții care favorizează descărcarea poluanților pe sol, subsol și în apa subterană (infiltrații de ape poluate prin lucrări de foraj, puțuri de observație incorect realizate, excavații pentru construcții etc.)

surse naturale de poluare a căror activare este provocată de activități umane (străpungerea unor pungi de gaze naturale subterane sau de petrol, alunecări de masive de pământ datorită excavațiilor sau defrișărilor necontrolate)

cele mai importante surse de poluare sunt:

poluarea aerului

poluarea solului

poluarea apei

Forme de poluare a mediului

1.Poluarea aerului (atmosferei) – aerul este parte din atmosferă, amestecul de gaze ce acoperă globul pământesc.  
Atmosfera este formată din circa 10 gaze diferite, în mare parte azot (78%) și oxigen (21%). Acel 1% rămas este format din argon, dioxid de carbon, heliu și neon. Toate acestea sunt gaze neutre. Mai există urme de dioxid de sulf, amoniac, monoxid de carbon și ozon (O3) precum și gaze nocive, fum, sare, praf și cenușă vulcanică. 

Poluarea aerului constă în modificarea compoziției sale, în principal prin pătrunderea în atmosferă a unor elemente străine și cu efecte nocive.

Sursele de poluare ale aerului se împart în 2 mari categorii:

surse naturale

surse artificiale

Surse naturale:

Erupțiile vulcanice generează produși gazoși, lichizi și solizi care, schimbă local nu numai micro și mezorelieful zonei în care se manifestă, dar exercită influențe negative și asupra purității atmosferice. Cenușile vulcanice, împreună cu vaporii de apă, praful vulcanic și alte numeroase gaze, sunt suflate în atmosferă, unde formează nori groși, care pot pluti până la mari distanțe de locul de emitere. Timpul de remanență în atmosferă a acestor suspensii poate ajunge chiar la 1-2 ani. Unii cercetători apreciază că, cea mai mare parte a suspensiilor din atmosfera terestră provine din activitatea vulcanică – o importantă sursă de poluare a aerului. Aceste pulberi se presupune că au și influențe asupra bilanțului termic al atmosferei, împiedicând dispersia energiei radiate de Pământ către Univers și contribuind în acest fel, la accentuarea fenomenului de "efect de seră", produs de creșterea concentrației de CO 2 din atmosferă.

Furtunile de praf sunt și ele un important factor în poluarea aerului. Terenurile afânate din regiunile de stepă, în perioadele lipsite de precipitații, pierd partea aeriană a vegetației și rămân expuse acțiunii de eroziune a vântului. Vânturile continue, de durata, ridică de pe sol o parte din particulele ce formează "scheletul mineral" și le transformă în suspensii subaeriene, care sunt reținute în atmosferă perioade lungi de timp. Depunerea acestor suspensii, ca urmare a procesului de sedimentare sau a efectului de spălare exercitat de ploi, se poate produce la mari distanțe fată de locul de unde au fost ridicate.

Plantele si animalele pot elimina în aer diferite elemente cum ar fii: polen, fulgi, păr,etc.

Surse artificiale(reprezentate de activitățile omului):

Industria este, la momentul actual, principalul poluant la scară mondială. Emisiile sunt substanțe eliberate în atmosferă de către uzine, sau alte centre. Procedeele de producție industrială eliberează emisiile, care se redepun în cazul în care nu există filtre pentru epurarea gazelor reziduale. Substanțele specifice sunt atunci eliberate și pot provoca local catastrofe.

În momentul procesului de combustie, substanțele gazoase, lichide și solide sunt eliberate în atmosferă de furnale.În funcție de înălțimea furnalelor și de condițiile

atmosferice, gazele de eșapament provenind din focare se răspândesc local sau la distanțe medii, – uneori chiar și mari – căzând din nou sub formă de particule mai fine decât poluarea atmosferică măsurabilă în locurile de emisie.

Procesele de combustie pentru încălzirea locuințelor sau utilizarea combustibilului pentru producerea energiei în scopuri industriale.

Transporturile sunt de tip feroviar, naval, aerian și în special rutier.

Poluarea aerului relizată de autovehicule prezintă două mari particularități: în primul rând eliminarea se face foarte aproape de sol, fapt care duce la realizarea unor concentrații ridicate la înălțimi foarte mici, chiar pentru gazele cu densitate mică și mare capacitate de difuziune în atmosferă. În al doilea rând emisiile se fac pe întreaga suprafață a localității, diferențele de concentrații depinzând de intensitatea.

2.Poluarea solului – se realizează direct, prin deversări de deșeuri pe terenuri urbane sau rurale, sau din îngrașăminte și pesticide aruncate pe terenurile agricole sau indirect, prin depunerea agenților poluanți ejectați ințial în atmosferă, apa ploilor contaminate cu agenți poluanți “spălați” din atmosfera contaminată, transportul agenților poluanți de către vânt de pe un loc pe altul, infiltrarea prin sol a apelor contaminate.
În ceea ce privește poluarea prin intermediul agenților poluanți din atmosferă, se observă anumite particularități. Spre exemplu, ca regulă generală, solurile cele mai contaminate se vor afla în preajma surselor de poluare. Pe măsură, însă, ce înălțimea coșurilor de evacuare a gazelor contaminate crește, contaminarea terenului din imediata apropiere a sursei de poluare va scădea ca nivel de contaminare dar regiunea contaminată se va extinde în suprafata.
Nivelul contaminarii solului depinde si de regimul ploilor.Acestea spală în general atmosfera de agenții poluanți și îi depun pe sol, dar în același timp spală și solul, ajutând la vehicularea agenților poluanți spre emisari. Trebuie totuși amintit că ploile favorizează și contaminarea în adâncime a solului.
Într-o oarecare măsură poluarea solului depinde și de vegetația care îl acoperă, precum și de natura însăși a solului. Lucrul acesta este foarte important pentru urmărirea persistenței pesticidelor și îngrășămintelor artificiale pe terenurile agricole. Interesul economic și de protejare a mediului cere ca atât îngrăsămintele cât și pesticidele să rămâna cât mai bine fixate în sol. În realitate, o parte din ele este luată de vânt, alta este spălată de ploi, iar restul se descompune în timp, datorită oxidării în aer sau acțiunii enzimelor secretate de bacteriile din sol.

Poluarea apei – este generată de un număr mare de surse, care sunt clasificate în:

Surse organizate:

apele reziduale comunale, care rezultă din utilizarea apei în locuințe și instituții publice, bogate în microrganisme, dintre care multe patogene;

apele reziduale industriale, provenite din diverse procese de fabricație sau sunt utilizate la transport, ca solvent sau separator, la purificarea și spălarea materiilor prime, semifinite și finite, sau a ustensilelelor și instalațiilor, și au o compoziție heterogenă.

apele reziduale agro – zootehnice, provenite mai ales ca urmare a utilizării apei în scopuri agricole (irigații), cat și pentru alimentarea animalelor și salubritatea crescatoriilor de animale.

Sursele neorganizate, sunt reprezentate de apele meteorice (ploaie, zăpadă), reziduurile solide diverse etc.

Multitudinea și variabilitatea surselor de poluare a apei conduc la pluralitatea elementelor poluante, împărțite în:

elemente biologice, reprezentate, în principal, de microorganismele patogene;

elemente chime

Forme de eliberare a poluanților în mediu:

Gazoasă- emisii de noxe din procese industriale, gaze de ardere, etc.

Lichidă- ape uzate menajere și industriale, substanțe chimice din activități industriale

Solidă- pulberi, cenuși, micro particule

Evacuarea în atmosferă a substanțelor poluante provenite de la diferite activități umane și naturale afectează nu numai factorul de mediu aerul, ci și ceilalți factori de mediu – apa, flora, solul – cu consecințe grave asupra condițiilor de viață ale ecosistemelor și oamenilor.

Surse de poluare a atmosferei

Poluarea aerului este generată în special de folosirea energiei și de activitățile de transportare. Urbanizarea, dezvoltarea industriei și a transportului provoacă emisii cu concentrații mari de substanțe poluante în atmosferă, emisii care duc la efecte nocive asupra naturii și a tuturor organismelor vii. Conform datelor Organizației Mondiale a Sănătății, circa 70% din populația urbană a lumii respiră aer poluat și doar circa 10% din populația lumii respiră aer, calitatea căruia este în limitele acceptabilității.

Poluanții majori ai atmosferei și sursele acestora:

Oxidul de carbon (CO) – este un gaz fără miros, culoare care e produs prin arderea incompletă a carbonului pe bază de combustibili, inclusive benzină, motorină și lemn.

Dioxidul de carbon (CO2) – este principalul gaz cu effect de seră emis ca urmare a activității umane, precum arderea cărbunelui, petrol și gaze naturale. Acesta duce la o creștere anuală a temperaturii biosferei cu aproximativ 0,3 grade Celsius.

CloroFloroCarburi (CFC) – sunt gazele care sunt eliminate în principal din sistemele de aer condiționat și de refrigerare. Acestea conduc la o reducere a stratului de ozon care protejeză Pământul de razele ultraviolete dăunătoare.

Plumbul (Pb) – este present în benzină, motorină, baterii cu plumb, vopsele. Plumbul afectează in principal copiii, provocându-le leziuni ale sistemului nervos, probleme digestive dar și cancer,

Oxizii de azot (NOx) – duc la apariția smogului si a ploilor acide. Sunt produși din arderea combustibililor, inclusive benzină, motorină și cărbune.

Pulberi în suspensie – se găsesc în aer sub formă de fum, praf și vapori, fiind principala sursă de ceață care reduce vizibilitatea.

Dioxid de sulf (SO2) – e un gaz produs din arderea cărbunelui, în special în centrale termice. Procesele industriale care duc la producerea de dioxid de sulf sunt producția de hârtie, topirea metalelor.

Ozon (O3) – apare în mod natural ca scut împotriva razelor ultraviolete dăunătoare. Substanțele chimice care distrug ozonul se formează prin procese industriale și naturale. Cu excepția injecției vulcanice și a evacuării gazelor produse de aeronave aceste substanțe chimice sunt transportate până în stratosferă la tropice de puternici curenți ascendenți de aer. Dioxidul de azot și monoxidul de carbon joacă un rol activ în distrugerea stratului de ozon. Aerosolii și norii pot accelera pierderea stratului de ozon.

Figura 1.1. Transportul de aerosoli si gaze pe distante lungi

Transportul poluanților în atmosferă

Forme de transport ale poluanților

Transportul poluanților în mediu la distanțe apreciabile față de sursa de poluare, se datorează unei serii de fenomene: advecție-dispersie, fenomene întârzietoare care determină mărimea ariei poluate.

Convecția (advecția) reprezintă transportul substanțelor de către curentul de aer, apă de suprafață sau apă subterană, la viteza medie a acestuia.

Dispersia este rezultatul acțiunii simultane a unui fenomen pur mecanic și a unui fenomen fizico-chimic.

Dispersie = Advecție (Transport) + Diluție (Difuzie)

Dispersia moleculară – difuzia se produce ca urmare a diferențelor de concentrații ale poluanților, evident de la concentrații mai mari către concentrații mai mici.

Factori care influențează dispersia poluanților în atmosferă

Dispersia poluanților în atmosferă, stabilirea gradientului de poluare al acestuia și în final determinarea concentrațiilor de poluanți sunt puternic influențate de condițiile climaterice și meteorologice.

Temperatura

Variația temperaturii aerului în funcție de presiune și de înălțime, este un factor important care intervine în deplasarea maselor de aer și implicit în răspândirea nocivităților în atmosferă.

Temperatura aerului variază cu înălțimea. Această variație are o valoare cuprinsă între 0.4 și 0.9 C la fiecare sută de metri.

Variația temperaturii aerului cu înălțimea se numește gradient vertical de temperatură și se exprimă prin raportul T/Z în care T este temperatura aerului în C iar Z înălțimea în metri.

Întrucât, în general, temperatura aerului scade cu înălțimea, media gradientului vertical de temperatură este pozitivă. În funcție de mărimea gradientului vertical de temperatură se pot deosebi mai multe tipuri de stratificare a atmosferei.

Instabilitatea

Aceasta este caracterizată prin scăderea temperaturii cu înălțimea la o valoare mai mare decât media gradientului vertical. Această condiție se realizează cel mai frecvent în zilele senine de vară când încălzirea rapidă a solului de către soare va influența temperatura straturilor de aer dând naștere unui amestec vertical pronunțat de curenți ascendenți puternici.

Masa de aer în ascensiune se răcește și își continuă deplasarea fiind mai puțin densă decât atmosfera înconjurătoare. Această situație de instabilitate față de mediul înconjurător va favoriza dispersia substanțelor nocive.

Figura 1.2. Instabilitatea absoluta

Stabilitatea

Aceasta este caracterizată prin faptul că scăderea temperaturii cu înălțimea este mai puțin accentuată decât gradientul vertical mediu. În această situație masa de aer în ascensiune se va răci cu mai puțin decât această medie.

Atmosfera înconjurătoare, considerată în repaus, dispune de o energie termică mai mare, capabilă să frâneze mișcarea ascendentă a aerului.

Tendința de a rezista deplasărilor verticale este caracteristică stabilității, starea atmosferică în care difuzia este aproape absentă, ceea ce defavorizează răspândirea poluanților.

Figura1.3. Stabilitatea absoluta

Starea indiferentă

Această stare a atmosferei, numită și neutră, prezintă o scădere a temperaturii cu înălțimea după o relație adiabatică, adică în repartiția verticală a temperaturii aerului din atmosfera înconjurătoare și din masa de aer asupra deplasării nu există nici o diferență.

Volumul de aer în ascensiune va avea aceeași temperatură cu straturile de aer care îl înconjoară și va fi echilibru la orice nivel, neavând tendința să revină la poziția inițială.

Stările atmosferice deosebite sunt izotermiile și inversiunile termice.

Izotermia este caracterizată de faptul că temperatura aerului este staționară cu înălțimea.

În cazul inversiunilor termice temperatura este crescătoare cu înălțimea, ceea ce implică un gradient vertical de temperatură negativă.

Aceste stări atmosferice pot apărea datorită răcirii aerului de lângă sol ca urmare a pierderii de căldură de către Pământ prin intermediul radiațiilor cu lungimi mari de undă în nopțile senine.

Figura 1.4. Inversiune Termica

O situație foarte stabilă ar avea loc atunci când aerul rece este aproape de sol, și există un strat de aer cald deasupra lui. Aceasta este o abatere de la situația normală, și se numește inversiune de temperatură, sau inversiune termică. Acest aer rece este mai dens decât aerul cald. Mai presus de stratul de inversiune, aerul va fi răcoros cu altitudinea din nou în creștere.

Umiditatea

Umiditatea aerului se opune difuziei poluanților și respectiv micșorării concentrațiilor lor, împiedicând particulele să se deplaseze. Umiditatea crescută duce la formarea de ceață care produce concentrarea impurităților. În zonele poluate, ceața se produce frecvent.

Vântul

Vântul definit ca mișcare orizontală a aerului este cel mai important factor care conduce la răspândirea poluanților în atmosferă. El nu este un element stabil, viteza lui putând varia în limite largi între rafală și acalmie.

Direcția vântului reprezintă caracteristica principală a mișcării aerului în relația ei cu poluarea, deoarece pe direcția de mișcare se produce poluarea cea mai intensă, în timp ce în alte zone, aerul poate rămâne curat.

Prin urmare vântul reprezintă procesul prin care are loc deplasarea poluanților și creează fenomenul prin care aceștia se difuzează în bazinul aerian. Difuzia este direct proporțională cu viteza vântului.

Vântul uniform și de viteză mică menține concentrațiile ridicate de poluanți în stratul de aer în care a ajuns.

Cu cât viteza vântului este mai mare, cu atât înălțimea la care ajung poluanții este mai mică. Vitezele mari ale vântului împing spre sol pana de gaze sau poluanți eliminați de surse, din cauza rezistenței de frecare mai mare pe care o întimpină aerul din apropierea solului și a vitezei mai mari de la înălțime.

Turbulența

Mișcarea curenților de aer este în general o mișcare turbulentă deci cu o structură haotică, întâmplătoare, volumele mici de aer aflate în mișcare nepăstrându-și individualitatea.

Din punct de vedere al modului cum se produce turbulența, aceasta poate fi mecanică și termică.

Turbulența mecanică are ca sursă principală frecarea aerului cu suprafața pământului și a altor obstacole. Ea se propagă în sus până la înălțimi mari și crește cu rugozitatea pământului și cu intensitatea vântului.

Turbulența termică sau convecția ia naștere ca urmare a diferenței de temperatură dintre pământ și curentul de aer, deci ca urmare a repartizării neuniforme a temperaturii.

Ambele feluri de turbulență se găsesc concomitent în atmosferă, în diverse proporții, funcție de condițiile meteo.

Criteriile după care se apreciază turbulența aerului sunt următoarele:

Criteriul dinamic (Reynolds)

Criteriul termic (Richardson)

Turbulența este un factor care favorizează amestecurile și de aceea difuzia impurităților în masa de aer turbulent se face mai repede.

2. Bazele teoretice ale dispersiei poluanților În atmosferă

În prezentările obișnuite ale dinamicii mediilor continue compoziția fluidelor este considerată omogenă în întreg domeniul spațio-temporal în care mișcarea este studiată. Pentru un amestec de lichide sau gaze, a căror compoziție este variabilă în timp și spațiu, ecuațiile clasice ale mecanicii fluidelor trebuie modificate.

Se tratează un amestec de două componente fluide. Compoziția fluidelor va fi descrisă cu ajutorul concentrației ci, care se definește ca raportul masei unui component la masa unui volum de control (evident egală cu suma masei tuturor constituenților amestecului):

; (i = 1,2)

Odata cu variația timpului se va modifica și concentrația componentelor amestecului de fluide, pe care în cele ce urmează îl vom numi simplu fluid, atunci când nu există pericol de confuzie. Variația concentrației ia două forme:

variație datorată mișcării macroscopice a fluidului, la care participă fiecare particulă elementară de compoziție invariabilă. Prin această mișcare are loc un amestec numit amestec mecanic pur. Cu toate că, pentru fiecare particulă elementară de amestec fluid în mișcare, compoziția nu variază, ea este variabilă de la punct la punct în spațiul fizic bine definit și fixat al mișcării. În același timp au loc procese de transfer al căldurii și de frecare internă în amestecul de fluid, ceea ce determină o variație a concentrației, variație considerată ca proces termodinamic ireversibil, care are loc fără disipare de energie.

pe de altă parte compoziția din interiorul unei particule de fluid în mișcare se modifică prin procese moleculare de transport al masei, având tendința de omogenizare a concentrației. Tendința de omogenizare a concentrației în acest tip de variație a concentrației în exteriorul fiecărui volum elementar de fluid este cunoscută sub numele de difuzie. Difuzia este un proces ireversibil. Impreună cu transportul de căldură și vâscozitate, este una din cauzele disipării energiei într-un amestec de gaze.

Dacă se noteaza cu densitatea totală a amestecului de fluid, atunci ecuația de continuitate pentru masa totală de fluid iși păstrează forma cunoscută:

Această ecuatie exprimă faptul că masa totală a amestecului de fluide, într-un volum arbitrar ales, suferă o variație numai prin fluxurile de masă care intră sau părăsesc acest volum prin suprafața sa. Trebuie însă, de la bun început, să evidențiem faptul că noțiunea de viteză trebuie redefinită pentru amestecul de fluide.

Scriind ecuația de continuitate de mai sus, am considerat viteza în sensul definiției, Ecuațiile Navier – Stokes nu se modifică pentru amestec. Aceasta înseamnă că derivata totală dc/dt este identic nulă, adică:

Aceasta ecuație, tinând cont de relația de continuitate, se mai poate scrie:

adică, sub forma unei ecuații de continuitate pentru unul din constituenții amestecului (ci este masa constituentului pe unitatea de volum).

Deoarece difuzia contribuie suplimentar la fluxul constituentului considerat, ea va genera în fluxul total o componentă distinctă de flux, care actionează ca transport de materie, chiar dacă miscarea generală încetează. Fie densitatea acestui flux de difuzie, adică o cantitate din constituentul considerat, care este transportată prin unitatea de suprafață în unitatea de timp.

Variația aceastei cantități de substanță într-un volum dat, este dată de relația diferențială:

Folosind ecuația de continuitate, ultima relație de mai sus se poate rescrie:

2.1. Ecuațiile de difuzie

Concentrațiile, notate cu , de aerosoli sau gaze (aerosolii fiind particule cu diametrul mai mic de 20 de microni) provenite de la o sursă continuă cu o înălțime efectivă de emisie H, calculate pe direcțiile x, y și z sunt date de ecuația: unde: (x, y, z; H) = concentrația

H = înălțimea centrului penei, considerată în momentul când aceasta ajunge să aibă un volum substanțial, și este suma dintre înălțimea fizică a coșului de emisie, notată cu h și H care reprezintă înălțarea penei.

Se va ține cont de următoarele ipoteze:

pana va dezvolta o dispersie cu o distribuție de tip Gauss atât în plan orizontal cât și în cel vertical. Deviațiile distribuțiilor de concentrații, pe orizontală și verticală ( si ) sunt considerate a fi standard;

u = viteza medie a vântului care afectează pana;

emisia de poluant este uniformă, debitul ei fiind Q;

se presupune că solul reflectă în totalitate pana, deci nu intervin depuneri sau reacții cu solul;

, = coeficenți de difuzie după axele y respectiv z.

Ecuația anterioară este valabilă în cazul în care difuzia pe direcția deplasării penei poate fi neglijată, deci dacă nu există dispersie pe direcția x.

Ipoteza de mai sus este valabilă în cazurile în care:

emisia se face continuu;

durata emisiei este mai mare sau egală cu timpul de deplasare (x/u) de la sursă până la zona de interes.

Figura 2.1 Distributia gaussiană bidimensională a penelor de poluant

generate de surse aflate în originea sistemului de coordonate

Concentratia la sol:

Pentru concentrațiile calculate la nivelul solului (z=0), ecuația se simplifică

Pentru explicarea metodei reflexiei penelor de poluant pe sol, care au ca rezultat suprapunerea distributiei concentratiei unei surse la cota H, cu distributia concentratiei unei surse la cota H, cu distributia concentratiei generate de o sursa fictiva aflata la cota -H (sub nivelul solului).

Acolo unde concentrația se calculează de-a lungul axei penei (y=0) intervin noi schimbări (simplificări):

Pentru o sursă la nivelul solului, fără a exista o înălțare a penei (H=0):

Efectele stabilității. Clase de stabilitate.Valorile lui y și z variază cu:

gradul de turbulență al atmosferei;

înălțimea în raport cu suprafața;

“rugozitatea” (neregularitățile) suprafeței;

eșantionul de timp pe care se va estima concentrația;

viteza vântului;

distanța față de sursă.

Valorile lui y și z sunt estimate conform stabilității atmosferei, care la rândul ei este determinată în funcție de viteza vântului (măsurată la o înălțime de aproximativ 10 metri), de intensitatea radiației solare (în timpul zilei) și de nebulozitate (pe timpul nopții).

Tabel 2.1. Clasele de stabilitate atmosferica

Clasa F este cea mai stabilă iar A cea mai instabilă.

Perioada de noapte este considerată ca fiind intervalul de timp care să conțină noaptea propiu-zisă plus o oră înainte de asfințitul și o oră după răsăritul soarelui.

De reținut că, pentru condiții de vreme închisă, indiferent de viteza vântului, se poate folosi clasa neutră D.

Radiația solară “puternică” corespunde cazului cu cer senin și altitudinea solară mai mare de 60. Insolație slabă înseamnă cer senin și altitudine solară între 15 și 35.

Nebulozitatea va diminua radiația solară receptată și va influența, împreună cu altitudinea solară, încadrarea în cele trei categorii (P=Puternică, M=Moderată, S=Slabă).

Radiația solară, puternică în zilele cu cer senin, va fi moderată în perioadele cu nori sparți, aflați la o înălțime medie și care asigură o nebulozitate de 5/8 până la 7/8, și chiar slabă în cazul norilor sparți și joși.

Aceste metode vor furniza informații reprezentative asupra stabilității deasupra unui câmp deschis sau asupra zonelor rurale, dar sunt irelevante pentru zonele urbane. Diferența se datorează efectului de insulă de căldură și faptului că zonele urbane prezintă o “rugozitate” mult mai mare a suprafeței. Diferența se accentuează în nopțile calde și senine, când, spre deosebire de zona rurală unde există stabilitate, în zonele urbane se manifestă condiții de ușoară instabilitate sau de aproape neutralitate până la o înălțime de câteva ori mai mare decât media înălțimii construcțiilor, cu un strat de stabilitate deasupra ei.

2.2. Dispersia în condiții de extremă stabilitate

În situațiile cu vânt slab și cer senin noaptea, având surse la nivelul solului neinfluențate de neregularități topografice, apar de obicei schimbări frecvente ale direcției vântului, ceea ce servește la împrăștierea orizontală a volumului de dispersat.

Pentru surse de înălțime, în aceste condiții de extremă stabilitate, nu se vor semnala concentrații semnificative la nivelul solului până la schimbarea condițiilor de stabilitate.

Existența unui strat stabil deasupra unuia instabil va avea ca rezultat restricționarea difuziei verticale. Evaluarea dispersiei va fi modificată în acest caz, introducând în calcule un termen nou, acesta fiind înălțimea de bază a stratului stabil, notat cu L.

2.3. Înălțimea efectivă de emisie

În majoritatea problemelor, se dovedește a fi necesară estimarea înălțimii efective a coșului, notat cu H, înălțimea la care pana poate fi considerată ca întinsă. Rareori această înălțime corespunde celei fizice a coșului, h.

Dacă pana este antrenată în turbulența stârnită de coș sau de clădirile învecinate, ea va fi proiectată rapid spre sol datorită fenomenului de trenă aerodinamică.

Dacă pana este emisă într-o zonă lipsită de turbulențe, atunci înălțarea ei va fi influențată de o serie de factori de emisie și meteorologici.

1) Factorii de emisie reprezentați de datele de proiect ale coșului:

a) diametrul interior dc al coșului la cota maximă construită (hc);

b) viteza Vc de evacuare a gazelor din coș;

c) emisia de căldură pe unitatea de timp Qh(cal/sec), care deseori este înlocuită cu temperatura Tc de evacuare a gazelor, folosită în calculul termenului de flotabilitate a penei.

2) Factorii meteorologici (condițiile din atmosferă).

a) stabilitatea termică a atmosferei;

b) temperatura aerului Ta;

c) viteza și direcția vântului ;

d) gradientul vertical al vitezei ;

e) intensitatea turbulenței (caracteristica pentru procesul de amestec poluant – aer);

f) gradul și etajele de nebulozitate.

3) Natura fizico – chimică a efluentilor emisi în atmosferă:

a) mărimea particulelor (particulele cu diametrul > 20 sunt rapid depuse la sol);

b) densitatea gazului;

c) vâscozitate, capacitate calorică și călduri specifice ale efluen-ților;

d) potențialul reactivității chimice și fotochimice a efluenților.

Marea majoritate a ecuațiilor formulate pentru calculul înălțimii efective de emisie sunt semiempirice.

Ecuația lui Holland a fost desprinsă dintr-un set de date experimentale provenite prin studierea unor coșuri mai mari în diametru (între 1,7 și 4,3 m) și cu temperaturi mai mari ale efluentului (între 82 și 204 C). Ecuația poate subestima uneori înălțimea efectivă de emisie dar prezintă de obicei un ușor grad de siguranță. Ea este:

H = înălțarea penei deasupra coșului [m];

Vs= viteza gazului [m/s];

d= diametrul interior al coșului [m];

p= presiunea atmosferică [mb];

Ts= temperatura gazului [K];

Ta= temperatura aerului [K];

2,6810-3 este o constantă care se măsoară în [mb-1 m-1].

Calitatea aerului în așezările umane se determină prin măsurarea concentrațiilor medii orare, zilnice sau lunare ale diferiților poluanți și compararea acestora cu valorile limită sau după caz cu valorile maxime admisibile prevăzute în actele normative în vigoare (Ordinul MAPM 592/2002) pentru poluanții relevant, respectiv STAS 12574-87 pentru restul poluanților reglementați.

Concentrația emisiilor de poluanți în aerul ambient poate varia în funcție de condițiile meteorologice, mai mult sau mai puțin favorabile unei bune dispersii.

Supravegherea calității aerului la nivel local se face prin măsurarea:

Poluanților comuni (SO2,NO2,NH3,pulberi în suspensie) în toate rețelele locale din zonele industriale și/ sau urbane

Poluanților specifici (HCl,fenoli,aldehide,Cl2,metale grele:Pb,Cd), în zone industriale în funcție de activitate

2.4. Controlul emisiilor în aer

Controlul în aer al emisiilor care provin din procese industriale, au început să fie realizate prin intermediul unor reglementări specific importante.

Reglementările mai vechi au solicitat în general controlul emisiilor de noxe generate de un numar limitat de procese de producție din sectorul industriei. Autoritățile din domeniu au avut datoria de a verifica aplicarea “celor mai bune practici pentru împiedicarea scăpărilor de noxe sau de gaze agresive și pentru transformarea acestor emisii de gaze în emisii inofensive si nedaunatoare”.

Evoluțiile legislative recente s-au axat în special pe acele activități industriale care generează volume mari de poluanți sau cu toxicitate ridicată. Au fost stabilite valori limită pentru emisiile generate de:

Marile centrale cu ardere

Incineratoarele de deșeuri periculoase

Incineratoare de deșeuri orășenești

Incineratoare de deșeuri

În situații adecvate, astfel de limite nu se aplică autorizațiile IPPC.

2.5. Fenomenul de sinergism al agenților poluanți ai atmosferei

Agenți poluanți ai atmosferei reacționează prin mecanisme complexe: reacții fotochimice, de polimerizare, de oxidoreducere, de hidroliză sau cataliză, agravându-se astfel efectul factorilor de mediu.

Efecte:

Compuși ai azotului:

NO + O2 => NO3 ; NO3 + O2 => NO2 + O3

NO2 => NO + O ( în atmosferă superioară)

Compuși ai sulfului:

SO2 + H2O => H2SO3

H2SO3 + H2O => H2SO4 +H2

SO2 +2NO2+ 2H2O => H2SO3 + HNO2

2.6. Considerații generale privind modelarea matematică a transportului și dispersiei poluanților în atmosferă

Cu toate progresele făcute, modelarea matematică a proceselor de transport și dispersie a poluanților în atmosferă prezintă dificultăți mari, cel puțin din două puncte de vedere:

Cunoașterea limitată a fizicii fenomenului, a proceselor chimice, biologice care se produc în timpul transportului și dispersiei poluanților;

Modelele matematice sunt în curs de perfecționare întrucât fenomenul pe care-l descriu este în curs de cunoaștere și întrucât aparatul matematic folosit încă prezintă schematizări atât de complexe care au loc în evoluția poluanților.

Modelele matematice sunt axate pe transportul și dispersia poluanților:

Pe distanțe mici și medii la microscară și pe distanțe mari, la macroscara, care însoțește fenomenele meteorologice în troposferă și care țin seama de câmpul baric, de accelerația Coriolis, de câmpul termic, de circulația norilor.

2.7. Descrierea fenomenologică a poluării atmosferei din surse punctiforme

Exemple de surse punctiforme evidente și des întâlnite sunt coșurile de evacuare a gazelor și a pulberilor de la diverse industrii.

Figura. 2.2. Schemă de evoluție a unei pene de la o sursă punctiformă

În figura de mai sus se prezintă schema generală a unei pene de gaze de pulberi evacuate dintr-un coș al unei uzine sau centrale termice. Pe această schemă sunt ilustrate convențional și diverse fenomene care se pot produce în timpul evoluției penei: sedimentare uscată de particule solide, depuneri umede, reacții chimice și fotochimice, reflexia de sol, reflexia de plafonul de nori sau de straturile superioare ale atmosferei, formare de vârtejuri ș.a.

În cazul unei atmosfere stabile în care viteza u a vântului este mai mică de 2 – 3 ori decât viteza w a gazelor la iesirea din coș ( w > 2u ), pana parcurge patru faze:

Faza 1, la ieșirea din coș, caracterizată printr-o poziție aproape verticală, cu viteza w de ieșire a gazelor mai mare decât viteza vântului u ( w > u ) și se consideră pana în secțiunea în care w ≅ u

Faza 2, în care pana se curbează pâna în secțiunea unde viteza w este apropiată ca mărime de mărimea pulsațiilor vitezei vântului, u’ ( w≅u’ );

Faza 3, în care densitatea gazului emis este apropiată de densitatea aerului, cantitatea de mișcare proprie a gazelor este practic nulă; procesul de transport prin convecție este dominant pe direcția vântului; procesul de difuzie turbulent este important în secțiunea transversală, pe direcția vântului fiind în general neglijabil în raport cu convecția.

Figura. 2.3. Evoluția penei de gaze de emisie pentru h>0.

Faza 4, cand pana atinge suprafața pământului și se reflectă de aceasta , parțial sau total, ca și cum ar fi doua surse de poluare, una reala cu H= h + H>0 și alta imaginară cu H <0.

În cazul în care viteza gazelor la iesirea din coș, w, este mai mică decât viteza vântului, sau 1,5 ori viteza vântului, ( w< 1,5 u) supraînălțarea penei H poate fi negativă. Procesele fizico-chimice, chimice, biochimice care au loc în interiorul penei sunt greu de identificat, unele pot fi sinergice.

Figura. 2.4. Evoluția penei de gaze emise când h<0.

Problemele importante care se pun constau în cunoașterea cantitativă a acestor procese, cunoașterea concentrației poluantului la suprafața solului, în zona de contact cu solul sau cu obiectele de la suprafața pământului, deci la imisie, în funcție de concentrația poluantului la sursă, deci la emisie, în funcție de viteza de ieșire a gazelor, de diametrul și înălțimea coșului, în funcție de viteza vântului, de diferența de temperatură și densitate între poluant și aerul atmosferic, în funcție de gradientul termic al aerului și de alți factori. De asemenea, prezintă importanță cunoașterea depunerilor de poluant la suprafața solului, pe învelișul vegetal, pe suprafața apelor, cunoașterea efectului (impactului) pe care îl au poluanții transportați asupra factorilor de mediu,asupra omului și asupra ecosistemelor, cunoașterea distanței până la care concentrația poluanților este dăunătoare.

Sursa de poluare din figura de mai sus poate fi considerată ca sursă punctiformă virtual, situată undeva în punctul S, foarte aproape de verticala coșului, dar la o înăltime față de secțiunea de iesire din coș, numită supraînălțare, respectiv la înălțimea H= h + față de suprafața solului, unde h este înălțimea coșului.

Fenomenul de transport și dispersie a poluanților se complică, dacă în calea penei apar forme de relief care modifică forma acesteia.

2.8. Elemente de aerostatica și aerodinamică care intervin la studiul și evoluția penei

2.8.1. Elemente de aerostatică

În condiții de echilibru al atmosferei există relații de stare între presiune, temperatură și masa specifică a aerului. Se știe că, în hidrostatica aplicată la gaze compresibile, există relația de echilibru:

unde n este coeficientul de politropie, care la procese adiabatice devine:

unde cp este caldura specifică la presiune constantă, iar cv căldura specifică la volum constant. Pentru aer k = 1,4.

Pe de altă parte se poate apela la ecuatia de stare Clapeyron

sau

cu R0= 29,27 m/grad

p – presiunea, z – cota fața de un plan de referință, de exemplu, planul la suprafața pământului, – masa specifică, T – temperatura absolută ( în grade Kelvin) , R constanta universală:

R = 288,41 m2/s2grad – pentru aer cu umiditate medie;

R = 287,14m2/s2grad – pentru aer uscat

Din relațiile de mai sus, ținând seama de relația , unde g este accelerația gravitațională, obținem:

sau

sau încă

Pentru n= 1,2÷1,4 rezultă:

unde reprezintă gradientul de echilibru adiabatic (politropic). De cele mai multe ori se adopta

Dacă distribuția temperaturii pe verticală corespunde cazului în care solul este mai rece decât aerul, iar temperatura crește pe verticală, este evident ca stratificația atmosferei este stabilă: aerul mai rece este mai greu, aerul mai cald este mai ușor și orice perturbație se amortizează.

Dacă, dimpotrivă, temperatura aerului este mai mică decat temperatura solului, gradientul de temperatură , apar curenți de aer cald ascendenți de la sol spre exterior și curenți descendeți de aer rece care vin sa ia locul eliberat de aerul cald.

Fig. 2.5. Atmosfera instabila

2.8.2. Elemente de aerodinamică

Atmosfera este construită din mai multe straturi. Pentru ilustrare în figura de mai jos (fig. 5.) este prezentată variația temperaturii și variația presiunii în funcție de altitudine.

Fenomenul de poluare, ca și fenomenele meteorologice, se produc în principal în troposferă, care, convențional, constituie un inveliș de circa 10km grosime ( 8 – 9 km la ecuator si 13 – 15 km la poli).

Fig. 2.6. Variația temperaturii și variația presiunii în funcție de altitudine.

La contactul cu suprafața pământului, curenții de aer formează stratul limită de suprafață de circa 100 – 200 m și stratul limită de tranziție, deasupra stratului limită de suprafață, cu o grosime de circa 1000m. Este evident ca frecările și schimbul limită nu se mai resimte frecarea de suprafața pământului, vântul se racordează la vântul geografic care are directive paralela cu liniile izobare.

2.9. Distribuția pe verticală a vitezei curenților de aer în stratul limită

Se disting două cazuri:

atmosferă stabilă

atmosferă instabilă

În cazul atmosferei stabile, când stratificația orizontală a aerului se păstrează, distribuția pe verticală a vitezei vântului este de tip logaritmic, având expresia:

Dacă suprafața pământului este netedă și

Dacă suprafața pământului este rugoasă, unde k = 0,4 este constanta lui Karman, u0= este viteza dinamică, – efortul unitar de forfecare, – masa specifică, – coeficient de vâscozitate cinematic a aerului, z0 – rugozitatea, C – constantă. Mărimile u*, z0, C se determină prin măsurători. De exemplu, dacă la înăltimea z1 se măsoară viteza u1, și la înaltimea z2 se măsoara viteza u2, din ecuație obtinem:

de unde rezultă u*și z0.

Este important de reținut faptul că gradientul vitezei pe verticală, atât din relatiile de mai sus are expresia:

În cazul în care gradientul de temperatură diferă de gradientul adiabatic, pentru descrierea distribuției vitezei pe verticală, se folosește lungimea caracteristică L introdusă de Monin și Obukhov.

Unde T este temperatura absolută măsurată în grade Kelvin, cp- căldura specifică la presiune constantă, q – fluxul de căldură pe direcția verticală. Dacă atmosfera este stabilă fluxul de caldură este negativ (q<0) și L>0. Dacă atmosfera este instabilă , fluxul de căldură este pozitiv (q>0) și L<0.Pentru q=0, L=∞ ceea ce se întamplă la

În cazurile în care, , legea de distribuție pe verticală a vitezei vântului se deduce din relația

unde este o funcție care ține seama de gradientul termic.

Pentru determinarea funcției au fost efectuate măsurători și prelucrări, care în conditii de <0 (L>0)

Fig. 2.7. Graficul functiei

2.10. Distribuția pe verticală a temperaturii aerului

Se constată că distribuția temperaturii aerului pe verticală este descrisă de relații de tip ca și distribuția pe verticală a vitezei curenților orizontali:

unde

Este temperatura de frecare, iar

Prin analogie cu km ( coeficientul de transfer de cantitate de mișcare) se numește coeficient de transfer de căldură.

La atmosfera neutră se consideră

km= si

La atmosfera stabilă < km, la atmosferă instabilă > km.

Relațiile de mai sus, ca și relațiile de distribuție pe verticală a vitezei curenților orizontali, necesită măsurători pentru a fi utilizate. În lipsă de măsuratori se consideră distributia log – liniară a vitezei si km =, deci , cu valorile approximate 4<<7.

2.11. Criterii de stabilitate a atmosferei

Se poate face o analiză detaliată a stabilității atmosferice. În condiții de calm atmosferic (u0 ) un criteriu de stabilitate termică se poate obține din compararea gradientului termic cu gradientul adiabatic. Avem:

atmosferă instabilă

atmosferă stabilă

Relațiile de mai sus evidențiază apariția și dezvoltarea unor curenți verticali de aer cald (ascendenți) și de aer rece (descendenți), cu formarea unor vârtejuri, deci a unei turbulențe atmosferice de natura termică.

În condiții de vânt, frecarea aerului de suprafața pământului conduce la o distribuție neuniformă a vitezei curentului, cu formarea de vârtejuri de natură mecanică.

Cu cât diferența de viteză a curentului de aer între două puncte pe aceeași verticală e mai mare, cu atât amestecul paturilor de aer este mai puternic și temperatura mai apropiată de cea uniform distribuită. Dar diferența de viteză pe verticală a curenților orizontali este dată de gradientul de viteză. Asadar, turbulența atmosferică la scară mică (microscopic) are două origini:

termică, exprimată prin gradientul de temperatura

mecanică, exprimată prin gradientul de viteză al curentilor

Criteriul de stabilitate a atmosferei în condiții dinamice este dat de numărul Richardson:

Care combină cei doi gradienți de temperatură și de viteză ( T- temperatura absolută, g – accelerație gravitatională).

Când vântul este de intensitate mare gradientul de viteză este de asemenea foarte mare și mărimea de la numitorul raportului are același efect ca apropierea gradientului temperaturii de gradientul adiabatic. Efectul vântului puternic, este din punct de vedere fizic, dublu: pe de o parte, creșterea gradientului vitezei din cauza frecării aerului de suprafața pământului, pe de altă parte intensificarea schimbului de cantitate de mișcare între stratele de aer,ceea ce conduce la uniformizarea temperaturii.

Criteriul Richardson se scrie:

Ri> 0 – atmosfera stabilă;

Ri= 0 – atmosfera neutră;

Ri< 0 – atmosfera instabilă;

Întrucat numărul Richardson necesită măsurarea gradientului vitezei, deci a distribuției vitezei pe verticală, se numește numărul Richardson global sub forma:

unde viteza u este masurată doar la cota z.

Se poate completa analiza fenomenologică a dispersiei poluanților în atmosferă luând în considerare și fenomenul de inversiune termică, respectiv de schimbare a semnului gradientului termic pe verticală.

Figura. 2.8. Condițiile de instabilitate foarte accentuate (Ri<0).

Figura. 2.9. Condiții de stabilitate aproape neutre (Ri=0).

Figura. 2.10. Condiții de stabilitate accentuate (Ri>0).

Figura. 2.11. Inversiune termica tip A.

Figura. 2.12. Inversiune termica tip B.

2.12. Influența reliefului asupra structurii curenților atmosferici și asupra formei penei

Pana de poluant se racordează la structura curenților de aer care se formează în condiții de relief accidentat sau în zona construcțiilor.

Figura. 2.13. Ocolirea unui munte(deal).

Figura. 2.14. Denivelare pozitivă.

3. Modele matematice pentru calculul transportului Și dispersiei poluanȚilor În atmosferĂ

Modele matematice pentru studiul dispersiei poluanților pot fi clasificate în trei tipuri:

modele matematice de simulare numerică atât a câmpului vitezelor și presiuni aerului, cât și a evoluției jetului de fluid poluant emis în atmosferă, în condiții concrete de spațiu și timp;

modele aproximative, de tip Gaussian, pentru care câmpul de viteză al vântului este dat de fiecare moment, în regim nepermanent sau permanent de evoluție a jetului de gaze poluante;

modele aproximative, tot de tip Gaussian, dar în valori prelucrate statistic ale câmpului de viteză, ca mărime, directie și frecvență.Se mai numesc și modele statistice.

Aceste din urmă modele matematice conțin ipoteza că media în timp a rezultatelor calculelor privind concentrația poluanților, în orice punct din spațiu, obținută prin simulare numerică a fenomenului dispersiei, este egală cu rezultatul calculului de dispersie a poluanților în condițiile în care datele de intrare sunt mediate în timp, statistic. Funcția de transformare a datelor de intrare în rezultat final este liniară:

Unde x0 este media aritmetică a valorilor xi.

Modele de calcul Pasquill – Gifford – Turner

Este de tip Gaussian cu parametrii estimați pe baza unor elemente mai mult apreciative decât analitice, mai mult calitative decât cantitative. Este vorba în special de stabilirea unor clase de stabilitate a atmosferei și a unor clase de variație a vitezei vântului cu ajutorul carora se calculează parametrii și

Modelul propus de Pasqiull în anul 1959 are la baza considerarea a șase clase de stabilitate a atmosferei si anume:

clasa A – foarte instabilă

clasa B – instabilă

clasa C – ușor instabilă

clasa D – neutră

clasa E – stabilă

clasa F – foarte stabilă

Clasele de stabilitate au fost caracterizate de doi parametri: viteza vântului u ,la înăltimea de 10 m deasupra terenului și radiația solară în timpul zilei sau nebulozitatea, respectiv gradul de acoperire cu nori a cerului în timpul nopții.

Pentru cer senin radiația solară incidentă este puternică dacă înălțimea soarelui este 600; este moderată dacă este cuprinsă între 600 și 350 și este slabă dacă această înălțime este cuprinsă între 350 și 150.

Noaptea înseamnă o ora înainte de apusul soarelui până la o oră după răsăritul soarelui. Hino a cuantificat radiația solară incidentă puternică, moderată și slabă în felul următor:

Puternică RD > 600w/m2 sau RD >123 cal/m2s

Moderată 300 w/m2 <RD <123cal/m2s

Slabă RD < 300w/m2 sau RD < 61 cal/m2s

Tabel 3.1 Clase de stabilitate a atmosferei după Pasquill

Gifford a propus următorul tabel:

Tabel 3.2 Clase de stabilitate a atmosferei

3.1.Descriere generală

Scopul lucrării de față este de a determina dispersia la nivelul solului a poluanților proveniți din diferite surse. S-au avut în vedere informații cu privire la caracteristicile surselor (debit de poluant, înălțimea coșului, temperatura efluentului, viteza efluentului, diametrul coșului), dispunerea lor în spațiu precum și caracteristicile meteo.

Pentru aceasta s-a realizat un program de calcul complet care simulează împrăștierea poluantului provenit de la sursele considerate, prin calculul concentrațiilor la nivelul solului pe suprafața cerută, obținând în final curbele de izoconcentrație dorite.

Programul prezintă următoarele caracteristici:

modelează efectele amplasării surselor de poluare în diferite puncte ale rețelei;

asigură calculul corect al tuturor parametrilor care caracterizează sistemul (clasa de stabilitate, înălțimile efective de emisie, etc.) în funcție de caracteristicile geometrice și regimul de exploatare;

prin modul de introducere a datelor și de prezentare a rezultatelor sunt asigurate condițiile necesare unei corecte și facile utilizări a programului;

poate fi utilizat atât în faza de proiectare cât și în cea de exploatare;

Programul se prezintă sub forma unei aplicații Windows, realizat în limbajul de programare Delphi 3.0, ceea ce permite ca interfața cu utilizatorul să fie mult mai accesibilă și mai ușor de utilizat.

Programul este structurat în 7 module (unit-uri) denumite: Main, PagesDlg, FGrafic, FIzoConc, CitGraf, Legenda și AboutBox. Luând în considerare specificul lucrării, primul modul prezintă importanță mai mare deoarece aici sunt declarate procedurile de calcul efectiv. Celelalte șase sunt importante doar pentru stabilirea modului de dialog program-utilizator.

Din cauza faptului că programul este realizat într-un mediu visual, codul sursă este mai mare și mai greu de urmărit decât la programele clasice. În continuare vor fi explicate procedurile care prezintă interes pentru calculul concentrațiilor, celelalte fiind doar incluse in listing.

3.2.Programul de calcul

3.2.1.Principalele variabilele folosite în program

Parametri de emisie pentru fiecare sursă:

Q – debitul de poluant (vector);

h – înălțimea coșului (vector);

t – temperatura efluentului (vector);

VS – viteza efluentului (vector);

d – diametrul coșului (vector);

Parametrii meteorologici

an, luna, zi – data de calcul;

ora – ora de calcul;

Radiat – tipul radiației solare (puternică, moderată, slabă);

TOA – temperatura mediului ambiant;

u – viteza vântului;

NEBUL – nebulozitatea;

p – presiunea atmosferică;

Parametrii rețelei și setări grafic

nSurse – numărul de surse (max. 10);

EditR – matrice ce conține poziția fiecărei surse în rețea;

Definirea curbelor de izoconcentrație

FIzoConc.ListBox1 – listă ce conține titlul și valoarea fiecărei curbe;

culori – vector ce conține culoarea fiecărei curbe;

ElLeg – vector ce conține fiecare element al legendei;

Variabile de calcul

Hef – vector ce conține înălțimea efectivă a fiecărei surse (vezi figura 2.1);

cl – păstrează clasa de stabilitate necesară calculului;

IzoConc – vector de serii de tip TPointSeries necesar graficului;

pps – numărul de pixeli pe segment (necesar la afișarea la scară a graficului);

dx, dy – numărul de pixeli pe axa Ox, respectiv Oy;

3.2.2.Instrucțiuni de utilizare

În figura de mai jos este prezentată fereastra de dialog principală cu ajutorul căreia utilizatorul va putea executa următoarele operații:

Figura. 3.1 Fereastra principală a programului

Salvarea (înregistrarea pe disc) a setărilor graficului

În cazul în care se dorește păstrarea setărilor graficului se selectează opțiunea Fișiere|Salvare setări grafic din meniu și se alege numele și calea fișierului ce va păstra setările respective.

Deschiderea unui fișier cu parametri deja existent

Această operație se execută în orice moment prin selectarea opțiunii din meniul Fișiere|Deschidere fișier parametri de intrare din meniu sau prin apăsarea celui de-al doilea buton din bara de butoane (o carte deschisă). Datele existente în fișierul ales vor fi citite și afișate în fereastra de setare a parametrilor de intrare.

Execuția acestei operații va conduce la pierderea tuturor parametrilor de intrare ce nu au fost salvați în prealabil precum și la necesitatea reluării calculelor de concentrații.

Tipărirea la imprimantă a graficelor

Se va putea face numai dacă pe ecran există un grafic, acesta fiind trimis la imprimantă sub format A4 prin selectarea opțiunii Fișiere|Tipărire grafic din meniu sau prin apăsarea butonului corespunzător (imprimanta).

Introducerea datelor necesare setării graficului

Datele vor fi introduse în fereastra de dialog (figura 3.2) afișată la apăsarea butonului ce simbolizează un grafic sau la selectarea opțiunii Setări|Grafic din meniu în orice moment.

Figura. 3.2 Forma FGrafic

Se va introduce distanța și numărul punctelor de calcul (după direcția x) pentru care se va calcula dispersia poluanților. La apăsarea butonului de afișare a graficului calculatorul va obține distanța după direcția y în funcție de dimensiunile ecranului (astfel încât graficul să fie la scară) și le va afișa în partea dreaptă a ferestrei în grupul Date rezultate prin calcul.

Prin apăsarea butonul Renunțare se revine în meniul principal fără a se păstra pe ecran graficul și setările făcute. Continuitatea programului se realizează prin apăsarea butonului Ok, acesta activând butonul de calcul.

Introducerea datelor necesare rulării programului

Se realizează prin selectarea opțiunii Setări Parametrii de intrare din meniul principal sau prin apăsarea butonului corespunzător din bara de butoane (al cincilea). La apariția pe ecran a ferestrei din figura 3.3.a și în cazul în care graficul nu a fost afișat pe ecran, va fi activat numai butonul Ok.

Butoanele Renunțare și Salvare date se vor activa numai la apariția unei modificări a datelor din fereastră, iar butoanele Figurare surse și Figurare rețea vor fi activate numai dacă pe ecran este afișat graficul.

În fereastra de introducere a datelor, mărimile utilizate în procedurile de calcul și a căror valori trebuiesc date de utilizator au fost grupate pe pagini și categorii pentru a evita eventualele confuzii datorate asemănării notațiilor și numărului mare al acestora. Astfel fereastra de dialog Parametri de intrare conține 3 pagini: Parametri rețelei, Parametri meteorologici și Parametri de emisie ce se derulează prin apăsarea tab-urilor corespunzătoare.

În pagina Parametri rețelei, inițial afișată (vezi figura 3.3.a), se va seta numărul de surse prin folosirea controlului UpDown1 din dreapta, iar poziția surselor se va modifica prin scrierea în controalele Edit a distanțelor dorite. Trecerea de la o sursă la alta se va face la fel prin folosirea controlului UpDown2 din dreapta grupului (acest control este afișat numai dacă numărul de surse este mai mare decât 1).

Figura. 3.3.a Parametrii rețelei

Pagina Parametri meteorologici (figura 3.3.b) va conține date referitoare la data de calcul și condițiile atmosferice existente la acea dată. Sunt cerute radiația solară și nebulozitatea atmosferei pentru ca în funcție de ora de calcul (noaptea este între orele 20 și 06) programul să stabilească clasa de stabilitate.

Figura. 3.3. b Parametrii meteorologici

În figura 2.3.c este prezentată ultima pagină a ferestrei de dialog Parametrii de intrare în care de asemenea vor fi specificați parametrii de emisie ai fiecărei surse. Trecerea de la o sursă la alta se face cu ajutorul controlului ScrollBar de pe marginea superioară a grupului (este vizibil numai dacă numărul surselor este mai mare decât 1).

Figura. 3.3. c Parametrii de emisie ai sursei.

La apăsarea butonului Salvare date, toți parametri specificați în fereastra Parametrii de intrare vor fi salvați pe disc sub forma unui fișier (*.fpi), al cărui nume va fi dat în fereastra dialog ulterioară. Datele vor putea fi reîncărcate în memorie în orice moment la cerere (vezi deschiderea unui fișier cu parametri deja existent).

În cazul în care utilizatorul se răsgândește asupra modificării parametrilor, el poate apăsa butonul Renunțare, în acest caz toate datele fiind restaurate din memorie iar fereastra se va închide. Restaurarea datelor din memorie nu este posibilă și la deschiderea unui fișier de date. Aici se vor reface numai datele modificate ulterior deschiderii fișierului.

La apăsarea butonului Ok toate datele existente în fereastra dialog Parametri de intrare vor fi trecute în variabilele de lucru din memorie și programul poate rula în continuare cu efectuarea calculelor (sau setarea graficului după caz).

Efectuarea calculelor și trasarea curbelor de izoconcentrație

Aceste operații se vor putea face numai dacă pe ecran este afișat graficul respectiv pentru trasare numai dacă a fost efectuat calculul. Deci efectuarea calculelor va determina activarea butonului de trasare a izoconcentrațiilor, a butonului de citire a graficului și dezactivarea butonului de calcul (opțiunii Execuție program|Calculul concentrațiilor din meniul principal).

Efectuarea calculelor va trebui refăcută de fiecare dată când apare vreo modificare în setările graficului sau în parametrii de intrare. La apariția unei modificări eventualele curbe de pe grafic vor dispare, se vor dezactiva butoanele de legendă, de citire a graficului respectiv de trasare a izoconcentrațiilor și se va activa butonul de calcul (aceleași operații se vor efectua și în meniuri).

Trasarea curbelor de izoconcentrație se execută la selectarea opțiunii Execuție program|Trasare izoconcentrații din meniul principal sau apăsarea butonului corespunzător din bara de butoane. Fereastra de dialog ce va apare este prezentată în figura 3.4.

Figura. 3.4 Fereastra de creare a listei de izohipse

Izo 500 a fost adăugată în listă prin apăsarea butonului Adaugă izoconcentrație și scrierea valorii curbei în controlul Edit al ferestrei ce apărute. Procedeul se poate aplica în continuare pentru toate curbele dorite.

La selectarea unui element al listei, în colțul din dreapta jos va apare un grup de controale ce conțin caracteristicile curbei respective (valoarea și culoarea). Valoarea nu se poate modifica decât prin ștergerea curbei prin apăsarea pe butonul Ștergere izoconcentrație (în momentul în care aceasta a fost în prealabil selectată din listă). Culoarea se poate modifica prin apăsarea pe butonul colorat (implicit roșu), moment în care pe ecran va apare o paletă de culori din care utilizatorul își va alege culoarea preferată. Se poate de asemenea ca utilizatorul să își creeze propria culoare urmând indicațiile din fereastră.

Pentru rapiditatea ștergerii curbelor a fost prevăzut butonul Ștergere listă izoconcentrații care va distruge toate curbele create și va goli lista.

La apăsarea butonului Ok programul va începe baleierea graficului, va afișa curbele cerute și va activa opțiunea Ajutor|Legendă – Izoconcentrații din meniul principal. În continuare utilizatorul poate cere trimiterea la imprimantă a graficului cu curbele de izoconcentrație trasate sau poate continua cu modificarea graficului pe o altă distanță sau modificarea parametrilor de intrare.

Vizualizarea unei ferestre ce conține poziția și concentrația fiecărui punct din grafic indicat

Dacă pe ecran este afișat graficul și dacă calculele au fost efectuate utilizatorul are opținea de a citi datele din grafic prin intermediul mouse-ului și a unei ferestre ce va apare la selectarea opțiunii Ajutor|Citirea datelor din grafic sau la apăsarea butonului ce simbolizează o lupă. Datele citite din grafic vor fi afișate în această fereastră și se vor modifica prin simpla mișcare a mouse-ului pe grafic.

Fereastra se închide la cerere prin apăsarea butonului Ok.

Afișarea legendei graficului

Această opțiune este disponibilă în meniu (Ajutor|Legenda – Izoconcentrații) sau bara de butoane (ultimul buton) în momentul în care curbele au fost deja trasate pe grafic. Elementele legendei sunt curbele definite în fereastra de creare a listei de izoconcentrații.

Legenda se închide la cerere prin apăsarea butonului Ok.

Obținerea unor informații despre program

Se poate face în orice moment prin selectarea opțiunii Ajutor|Despre program

3.2.3.Concluzii referitoare la programul de calcul

Programul realizat prezintă următoarele avantaje:

introducerea ușoară a parametrilor de intrare;

oferă posibilitatea modificării și salvării acestora;

realizează în mod automat scările de reprezentare determinând distanța pe Oy în funcție de distanța cerută pe Ox;

permite citirea concentrațiilor de poluant în orice punct indicând atât valoarea concentrației cât și poziția respectivului punct în spațiu;

permite trasarea curbelor de izoconcentrație provenite de la una sau mai multe surse (numărul maxim de surse este 10);

curbele trasate se pot identifica prin afișarea legendei;

realizează calculul concentrațiilor având în vedere 3 variante: normală, cu fumigație, cu blocarea penei;

Programul este structurat sub formă modulară astfel încât permite perfecționarea ulterioară și în acest sens am în vedere adăugarea unor noi module de calcul pentru calculul concentrațiilor de poluant provenite din surse liniare, surse intermitente, surse aflate în mișcare.

4. ELEMENTE DE COORDONARE

4.1. DATE GENERALE

SC ALKA CO SA este amplasată în Șoseaua Străulești nr. 76 – 86, sector 1, București (foto. 1).

Figura 4.1 Plan de încadrare în zonă a S.C. ALKA CO S.R.L.

S.C. ALKA CO S.R.L este amplasată în partea de N – V a Municipiului București, vis-a-vis de depozitul de carburanți PETROM – Băneasa.

Vecinătățile sunt după cum urmează:

la Nord: Teren viran

la Sud: Depozitul de carburanți PETROM – Băneasa.

la Vest : Str. Liliacului, S.C. HELOPAL S.R.L.

la Est: Str. Nuferilor, proprietate privată

4.2. PREZENTAREA ACTIVITĂȚII DESFĂȘURATE

Unitatea are ca obiect de activitate procesarea, ambalarea și depozitarea următoarelor produse: cafea, alune, semințe și a altor produse alimentare – dulciuri.

4.2.1 Generalități – descrierea obiectivului; procese tehnologice; angajați/schimb

Activitatea desfășurată în hala nr. 1

– Prăjirea, măcinarea și ambalarea cafelei

Profilul de fabricație constă în prăjirea, măcinarea și ambalarea cafelei. Prăjirea se realizează în mașini cu comandă automată, în cuptoare speciale cu aer supraîncălzit.

Combustibilul utilizat la cuptoare este gazul metan.

Activitatea desfășurată în hala nr. 2

Fabricare napolitane

Linia de fabricație napolitane(biscuiți zaharoși) este compusă din:

• Cuptor automat pentru coacerea foilor de napolitane

• Ventilator de evacuare

DOTĂRI INSTALAȚII, UTILAJE, MAȘINI

Hala nr.1:

1 cuptor prăjit semințe oleaginoase (combustibilul folosit este gazul metan)

2 mașini prăjit cafea (combustibilul folosit este gazul metan)

Hala nr.2:

Instalații, utilaje, mașini napolitane:

1 cuptor prăjit vafe (combustibilul folosit este gazul metan)

Instalații, utilaje, mașini napolitane:

Bilanț de materiale

Fabricație de napolitane

Tabel 4.1 Capacitate de producție aferentă 2002: 1300t/an

Fabricație cafea

Tabel 4.2 Capacitate de producție aferentă 1999: 1000t/an

Cafea crudă – capacitate pentru două cuptoare în funcțiune fiind 360 kg/h, timpul de prăjit fiind de 20 minute la o temperatură de 215 0C.

Energia termică este asigurată cu ajutorul a două centrale termice având fiecare un cazan tip Feroli cu sarcina termică de 400 Kcal/h, funcționând cu gaz metan. Una dintre centrale este amplasată în hala nr.1, iar a doua în hala nr.2.

4.3. SURSE DE POLUARE

4.3.1. Surse de poluare a aerului

Principalele surse potențiale de impurificare a aerului pot fi:

Instalația de prăjit cafea;

Hala de napolitane și biscuiți;

Centrale termice;

Instalațiile de purificare noxe la prăjit cafea sunt: ciclon cu perdea de apă și două ventilatoare de la baza unei site pe care se răcește cafeaua prăjită, antrenând particule mici de cafea, coji, zgură. Modul de funcționare este discontinuu după fiecare șarjă de prăjire. Evacuarea gazelor se realizează prin 2 cosuri de 15 m înălțime, diametru 300 mm, ventilat natural.

Din activitatea unității reies următoarele faze în care se degajă praf sau gaze reziduale:

Prăjirea cafelei

Evacuarea gazelor rezultate în urma prăjirii cafelei, se realizează prin 2 cosuri de 15 m înălțime, diametru 300 mm, ventilat natural.

Cuptoarele pentru prăjirea cafelei sunt prevăzute cu două arzătoare având fiecare un consum de 11,9 m3/oră gaz metan.

Hala de napolitane și biscuiți

Din hala de napolitane sunt evacuați, printr-un coș cu înălțimea de 6 m și diametrul de 350 mm, gazele arse rezultate în urma procesului de prăjire a vafelor și prin două coșuri cu înălțimea de 15 m și diametrul de 300 mm, gazele arse rezultate în urma procesului de fabricare a biscuiților.

Centrale termice

Producerea agentului termic se realizează prin intermediul a două centrale termice având fiecare un cazan tip Feroli cu sarcina termică de 400 Kcal/h, funcționând cu gaz metan. Una dintre centrale este amplasată în hala nr.1, iar a doua în hala nr.2.

Consumul de gaze maxim orar este de 55 m3/h pentru fiecare centrală.

Substanțele evacuate în mediu sunt: bioxidul de sulf, pulberi și oxidul de azot.

4.4. Evaluarea emisiilor

Tabel 4.3 Caracteristicile de ardere ale gazului metan

Centralele termice

Calculele emisiilor au fost efecutate pentru un singur coș, datele de bază fiind identice pentru cele două coșuri ale centralelor termice.

Figura 4.2. Roza vanturilor

Schema logica a etapelor parcurse in cadrul studiului de caz se prezinta in diagrama urmatoare:

Datele introduse in programul de difuzie/ dispersie descris anterior sunt:

Roza vânturilor în București

Tabel 4.8 Debite masice calculate prin AP 42/1995 și 462/93

Tabel 4.9 Calculul concentratiilor pentru poluantul Nox (mg/mc).

Tabel 4.10. Calculul concentratiilor pentru poluantul CO

Figura 4.3. Distributia spatiala a izoconcentratiei poluantului NOx in atmosfera (mg/mc).

Figura 4.4. Distributia spatiala a izoconcentratiei poluantului CO in atmosfera (mg/mc).

Concluzii

Pe baza hărților de izoconcentrații, se fac următoarele aprecieri:

Tabel 4.17 Concluzii pe baza hartilor de izoconcentratii

Se poate observa că, în cele 2 variante analizate, concentrațiile maxime nu depășeșc valorile maxime admisibile, conform Ord. 462/93.

Cu toate acestea, distribuția spațială a izoconcentrațiilor evidențiază faptul că din punct de vedere al evoluției penelor de poluant în cele 2 variante, acestea ajung să afecteze zonele rezidențiale din imediata vecinătate a obiectivului analizat.

Afectarea zonelor rezidențiale se manifestă sub forma mirosurilor neplăcute și eventual, a fumului degajat de la coșurile de dispersie a gazelor arse din cadrul obiectivului.

Pentru evitarea unor asemenea situații (prezente în special în condițții meteorologice defavorabile dispersiei poluanților), se recomandă instalarea în coșurile de dispersie a unor sisteme de reținere cu cărbune activ.

BIBLIOGRAFIE

Transportul și dispersia poluanților – Simion Hâncu, Gabriela Marin

Transportul poluanților în mediu – Note de curs – conf. dr. Ing. Alexandru Dimache

Diagrama evoluției diferitelor substanțe chimice în atmosferă – www.qedoc.org

Distribuția gaussiană a unei pene de poluant – www.wikipedia.org.en

Ordinul nr. 462/1993 pentru aprobarea Condițiilor tehnice privind protecția atmosferei și Normelor metodologice privind determinarea emisiilor de poluanți atmosferici produși de surse staționare