Dispersion de los contaminantes en la atmosfera

Dispersión de los contaminantes en la atmósfera. Diseño de chimeneas –
D. Francisco Jesús Morales – 10 Mayo 2007
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1. Introducción
La calidad del aire depende de las condiciones atmosféricas, como la fuerza del viento,
la intensidad de la radiación solar, la lluvia o la temperatura.
El perfil de temperaturas con la altitud está relacionado con la dispersión de
contaminantes. En una situación estable el perfil de temperaturas es tal que las masas de
aire permanecen sin mezclarse.
El perfil adiabático neutro de temperatura en atmósfera seca es de 1 ºC/min
2. Estabilidad atmosférica
En una atmósfera estable una masa de aire que asciende se encuentra con una
temperatura superior y vuelve a caer. En una atmósfera inestable se encuentra con una
temperatura inferior y sube con lo que ocurre dispersión de contaminantes. Se pueden
dar tres perfiles: subadiabático (la temperatura desciende más lentamente que el perfil
adiabático neutro, corresponde a una atmósfera estable); superadiabático (la temperatura
desciende más rápidamente que el perfil neutro, atmósfera inestable)
3. Inversión térmica
Caso extremo de estabilidad atmosférica
3.1 Inversión nocturna
Durante la noche el suelo se enfría por radiación y enfría la atmósfera cercana al suelo,
se tiene una inversión del perfil de temperaturas (en vez de calor a frío conforme
ascendemos pasamos de frío a calor)
3.2 Inversión anticiclónica
Se desarrolla a grandes altitudes y es típico del verano. Provocado por las altas
presiones de los anticiclones. Este fenómeno calienta el aire a una temperatura superior
a la que tienen las capas más cerca del suelo.
4. Viento
La dirección y velocidad del viento se representa por la rosa de los vientos con escala
Beaufort. Cerca del suelo la fricción debida a la rugosidad de la superficie reduce la
velocidad del viento, cambia su dirección y aumenta además su turbulencia. El origen
de la turbulencia puede ser convectivo o mecánico. El convectivo se produce por
variaciones de la calefacción solar de la superficie y tambien depende de la estabilidad
térmica de la atmósfera. El mecánico proviene del movimiento del aire sobre la
superficie terrestre.
5. Dispersión de las emisiones de las chimeneas
Es necesario considerar el penacho que puede ser afectado por irregularidades
topográficas, edificios. El penacho se eleva con relación al punto de descarga y el aire
que inicialmente lo rodea. Las condiciones de estabilidad atmosférica modela el
penacho y actúa sobre su dispersión
5.1 Efectos aerodinámicos de los edificios y topografía irregular
Si existe un gran edificio cerca de la chimenea el penacho se distorsiona. Se propone
una chimenea 2,5 veces más alta que los edificios. Igual ocurre con los accidentes
topográficos.
5.2 Cálculo de la sobreelevación del penacho
La sobreelevación del penacho aumenta la altura efectiva de la chimenea y está
relacionado con la flotabilidad y energía cinética de los gases junto con la estabilidad
atmosférica.
5.3 Formas del penacho en función del gradiente térmico
- Si una chimenea emite gases en una atmósfera neutra estable el penacho toma una
forma simétrica  penacho cónico (coning)
- En una atmósfera inestable con movimientos verticales del aire se obtiene un penacho
serpenteante
- En condiciones de estabilidad extrema se forma un penacho de abánico o tubular
- Si existe una capa de inversión el penacho no lo atraviesa, si la capa de inversión está
por encima de la chimenea estamos ante el caso más contaminante.
6. Modelos matemáticos de dispersión de contaminantes
6.1 Modelo gaussiano de foco puntual
Representa la concentración de contaminante como una distribución de Gauss (campana
de Gauss) cuyo eje se encuentra ligeramente por encima del punto de emisión de la
chimenea (sobreelevación del penacho). Este modelo relaciona la concentración de
contaminante con factores como caudal de emisión, velocidad del viento, altura efectiva
y condiciones atmosféricas. La concentración a nivel de suelo (inmisión) depende
directamente del caudal, por lo que es fácil determinar que reducción de emisión sería
necesaria para cumplir unos límites de inmisión a nivel del suelo. Un aumento de la
velocidad del viento disminuye la concentración pero reduce la sobreelevación del
penacho.
Concentración a nivel del suelo en la dirección del viento: Si aumenta la altura de la
chimenea se reduce la concentración a nivel del suelo. En casos de atmósferas inestables
se obtienen unos picos más altos de concentración pero a poca distancia de la chimenea.
En atmósferas estables no se obtienen picos tan altos de concentración, pero son
apreciables incluso a grandes distancias, es un problema porque las poblaciones se
sitúan alejadas de la industria.
Concentración ante una inversión térmica: se considera que el contaminante no se
absorbe por el suelo sino que es reflejado al igual que ocurre con la capa de inversión.
Se considera que a grandes distancias el conjunto de reflexiones ha originado una
mezcla uniforme entre el suelo y la capa de inversión.
6.2 Modelo de foco lineal
Empleado para las emisiones de gases de los vehículos a lo largo de una vía recta o
emisiones de distintas fábricas situadas a lo largo de la orilla de un río o el mar.
6.3 Modelo de foco superficial
Se aplica a un conjunto de focos distribuidos a lo largo y ancho de un área.
Diseño de chimeneas
1. Introducción
Chimenea –> diluye los contaminantes y los dispersa en la atmósfera
Diseño  influye altura, diámetro, materiales y necesidad de impulsión
¿Qué factores influyen en la dispersión de Ci y en el diseño de la chimenea?
- Normativa  concentraciones máximas de inmisión
- Factores meteorológicos y topográficos
- Características químicas de los gases
- Caudales de emisión
- Fluidodinámica de la circulación del gas: pérdida de carga
- Temperatura del gas de chimenea
2. Circulación del gas : Tiro de la chimenea
Es el diferencial de presión creado por la diferencia de densidades entre el gas de
chimenea y el aire exterior.
Tiro natural  ha de garantizar una velocidad mínima de salida del gas (energía
cinética del gas y caída de presión por rozamiento)
Tiro forzado  Tiro natural insuficiente. Se aporta potencia
3. Velocidad de salida y diámetro de la chimenea
- Diámetro interno: velocidades mínimas de salida necesarias para
*Evitar arrastres hacia abajo
*Pérdida de flotabilidad y altura efectiva
*Entrada de aire frío a la chimenea
- Diámetro externo: depende de la estructura
- Forma habitual: Sección circular ligeramente convergente
4. Temperatura del gas de chimenea
4.1 Estimación de Tg
Es necesario conocer pérdidas de calor del gas y la transmisión de calor a través de las
paredes de la chimenea
4.2 Influencia de Tg. Efectos perjudiciales del enfriamiento del gas de chimenea
- Emisión de hollín ácido
Por baja temperatura en la chimenea y presencia de azufre en los combustibles
- Pérdida de flotabilidad o tendencia ascendente del gas por su alta T y baja densidad.
Muy importante en el cálculo de la altura de una chimenea.
- Disminución de vg y necesidad de mayor vg por descenso de tiro
5. Materiales de construcción
5.1 Carcasa estructural
**Material antiguo : ladrillos
**Materiales modernos: hormigón o acero
** No tienen propiedad aislante
5.2 Revestimiento interno
**Ladrillos resistentes a los ácidos (Resistentes y duraderos pero son frágiles y pesados)
**Acero (soporta hasta 500 ºC)
5.3 Aislantes térmicos
**Relleno suelto
**Cámara de aire con tabiques para evitar circulación de aire por convección.
**Ladrillos Moler (poroso y poco denso) Tiene una baja conductividad pero absorbe
agua que lo hace más frágil
5.4 Materiales nuevos
**Plásticos reforzados con vidrio  Soportan hasta 250 ºC y con alta resistencia
química, se usa como carcasa en chimeneas no muy altas
**Tendencias futuras  materiales diseñados para cada caso
6. Cálculo de la altura de la chimenea
6.1 Requerimientos EPA
- Mínimo 65 m
- Considerar edificios adyacentes
- La que resulte de aplicación de un modelo de dispersión
6.2 Normativa española
- Establece la obligatoriedad de incluir cálculo de la altura de la chimenea en un
proyecto. Método simplificado o riguroso en función de las características de las
instalaciones.
--Consideraciones finales
*Diseño de la chimenea para las condiciones de alta estabilidad (situación más
desfavorable)
*Dato Tg fundamental para el cálculo, pero a su vez puede depender de h.