METEOROLOGÍA Y CLIMATOLOGÍA
PRÁCTICA DE DISPERSIÓN ATMOSFÉRICA DE METEOROLOGÍA Y CLIMATOLOGÍA 1. Se emite dióxido de azufre a una tasa de 0.9 kg/s desde desde una chimenea chimenea con una altura efectiva de 220 m. La velocidad promedio del viento a la altura de la chimenea es de 4.8 m/s y la categoría de la estabilidad es “A”. Considerando los
datos de Brookhaven National Laboratory determinar. a) Las concentraciones de de SO2 en la dirección del viento y en línea central. Trácese la concentración C contra la distancia x. Para este caso la condición de dispersión es extremadamente extremadamente inestable, y según los datos de estabilidad de Brookhaven tenemos: a 1=0.40; a2=0.41 y b1=0.91;b2=0.91 para el cálculo de los parámetros de dispersión en la dirección transversal vertical z; y y variando la distancia en x.
Según la fórmula
se calcula la concentración, de SO 2,
según el problema, en la dirección del viento, es decir en x, además indica que debe ser en la línea central, haciendo y=0 y z=0.
= ∗ ∗ y∗
Gráfica 1:
σ
σ
Concentración de SO 2 vs la distancia en X.
Concentración de SO2 para cada distancia X
1000 900 ) 3 m / g u ( n o i c a r t n e c n o C
− + } ∗{ z∗
800 700 600 500 400 300 200 100 0 0
10 00
20 0 0
30 00
40 00 5 0 00 60 00 Distancia (m)
70 0 0
8 0 00
90 00 10 0 00
Los valores de X otorgados variaron de 150 en 150 metros en un intervalo de 15030000 metros.
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b) La distancia en la línea central y sobre la dirección del viento, para la que la concentración máxima ocurrirá a nivel del suelo, y estímese cual será dicha concentración en ug/m3. La distancia en la línea central y sobre la dirección del viento para la que ocurre la mayor concentración de SO2 a nivel del suelo es de 750 m, y dicha concentración es de 917 ug/m3.
c) Asimismo sobre un diagrama X-Y trazar las isopletas (líneas de igual concentración) para concentraciones de SO2. Para obtener las isopletas consideramos los mismos valores para “X” que en el ejercicio (a) y otorgamos valores a “Y”, en este caso el intervalo de los valores fue de 100 a 600 metros.
Gráfica 2: Isopletas en un diagrama X-Y para las concentraciones de SO 2.
Isopletas de Concentración de SO2
600 500 400 300 200
a i ) c n m a t ( s i y D
100
600-800
-100
400-600
-200
200-400
-300
0-200
-400 -500 1
2
3
4
5
6
7
8
-600 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Distancia X (Km)
2. Se descarga ácido sulfhídrico a una tasa de emisión de 0.06 gr/s, desde una chimenea que tiene una altura efectiva de 50 m. En una noche nublada la velocidad del viento es 7 m/s. Si el umbral de olor para H2S es de 0.00047 ppm, estimar en términos de coordenadas X-Y la región en la que una persona normal puede detectar el ácido sulfhídrico mediante el olfato. Convertimos la concentración del umbral de olor para H 2S a ug/m3 de la siguiente manera: Donde: PM: peso molecular (g/mol). V: volumen ocupado por un mol de sustancia (l).
=
∗ ∗10
0.00047 ∗ 34.22.14 ∗10 =0.7155 /
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Otorgamos diversos valores a la distancia X y calculamos la concentración para dichas distancias haciendo y=0. Con la fórmula:
= ∗ ∗ ∗
σ
− + } ∗{ z∗
σ
Gráfica 3: Concentración de H 2S vs la distancia en X.
Concentracion de H 2S ) 1.4 3 m1.2 / g 1 u ( n 0.8 o i c 0.6 a r t n 0.4 e c n 0.2 o c
0
0
200
400
600
800
1000
Distancia(m)
Para obtener esta gráfica los valores de “X” otorgados varían de 10 en 10 metros, en un intervalo de 10-10000
Gráfica 4: Isopletas en un diagrama X-Y para las concentraciones de H 2S. 10 H2S Isopletas de Concentración de 50 100
) m ( X n e i c a n t s i D
300 1000 3000 5000 -100 -50 0-0.2
-30 -10 20 40 Distancia en Y (m) 0.2-0.4 0.4-0.6
80 0.6-0.8
La región en la que una persona normal puede detectar el ácido sulfhídrico mediante el olfato es aquella donde la concentración de H 2S sea mayor que la concentración del umbral, es decir mayor que , según la datos de la gráfica 3, esto ocurrirá para distancias en X entre 110 a 180 metros, en la gráfica 4 se observa que estas concentraciones se encuentran en la región de color violeta.
0.7155/
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3. La concentración de SO2 a nivel suelo, en la dirección del viento desde una chimenea, ha de quedar limitada a 80 ug/m3. La velocidad del viento es 5 m/s en un día despejado, y la tasa de emisión es de 50gr/s. ¿Cuál será la altura efectiva mínima requerida para la chimenea en metros? De la fórmula de concentración despejamos la altura efectiva para calcularla reemplazando los datos dados, otorgando valores a X y haciendo Y=0.
− + } ∗{ = ∗∗y∗z ∗ =z∗(2∗∗ ∗∗∗y∗z )
Aplicando esta fórmula para valores de X que varían de 100 en 100, en un intervalo de 100-50 000 se tiene la siguiente gráfica.
Gráfica 5: Altura efectiva para la cual se obtiene una concentración de 80 ug/m 3 a una cierta distancia en X.
Altura efectiva vs distancia en X
160.00
140.00
) m120.00 ( a 100.00 v i t c e 80.00 f e a r 60.00 u t l 40.00 A
20.00
0.00 0
500
1000
1500
2000
2500
Distancia en X(m)
3000
3500
4000
Debido a que el cielo se encuentra despejado se considera una estabilidad del tipo E, débilmente estable, esto nos indica que no hay una gran turbulencia, por lo que tampoco existirá gran dispersión. Según los datos que originan a la gráfica 5, se tiene que la altura efectiva mínima de la chimenea, para la cual se tendrá una concentración máxima de SO2 igual a 80 ug/m 3es aproximadamente 120 metros, con una distancia en X igual a 1300 metros; si consideramos un mayor valor en la altura efectiva se obtendrá una mayor dispersión, debido a que el perfil vertical del viento aumenta con la altura, por lo que la concentración disminuirá; si consideramos una altura menor, habrá una mayor estabilidad por lo que se encontrará mayor concentraciones de SO2.
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4. Un punto de observación está situado en la dirección del viento de dos plantas de energía que consumen combustóleo. Una de ellas está situada a 0.3 km en la dirección NNE del punto de observación y quema 1400 kg por hora de un combustible con un 0.5 por ciento de azufre. La segunda planta está situada a 0.6 km NNW del mismo punto y quema 1600 kg por hora de combustible con un contenido de azufre del 0.75 por ciento. Supóngase que las chimeneas de ambas plantas tiene una altura efectiva de 40 m. El viento sopla del norte a 3.3 m/s. Para una condición de estabilidad clase “A” ¿Cuál será la concentración de SO2 a nivel del suelo, en el punto de observación en ug/m3? La velocidad del viento se mide a la altura estándar de 10m.
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5. Una fundidora se encuentra ubicada cerca de un aeropuerto. La chimenea de la fundidora tiene 300 m de alto y una altura de columna de humo de 100 m. Se encuentra emitiendo 5000 g/s de SO2. Supóngase que la clase de estabilidad es siempre la “A” y la velocidad del viento siempre es de 3 m/s. La trayectoria de
vuelo para el aeropuerto es perpendicular a la columna de humo y el final de la pista se encuentra a 5 km en la dirección del viento desde la fundidora. La oficina de seguridad del aeropuerto ha determinado que no es seguro para los aviones pasar a través de cualquier parte del a columna de humo que tenga una concentración de SO2 superior a 500 ug/m3. También se decidió que no es seguro volar debajo de la columna, de modo que los aviones siempre deben volar por encima de ella. ¿ Cuál es la altitud mínima a la que pueden volar en estas circunstancias y no quedar expuestos a concentraciones de SO2 mayores a 500 ug/m3 Datos: Clase de a1 b1 a1 b1 Tasa de emisión (q): 5000 g/s. estabilidad Distancia en X: 5 km. A 0.40 0.91 0.41 0.91 Velocidad del viento (u): 3 m/s. Altura efectiva (H): 400 m. Estabilidad: A Las concentraciones se obtienen reemplazando en la siguiente fórmula los datos, además otorgamos diferentes valores para “Z” y hacemos Y=0.
++] − [ = 2∗∗y∗z ∗
Los valores en este caso, para las distancia en Z, varían de 10 en 10 metros, en un intervalo de 10-2000 metros.
Gráfica 6: Concentraciones en ug/m3 para diferentes distancia en Z.
Altura efectiva vs concentración
350 ) 300 3 m / 250 g u ( n 200 ó i c a 150 r t n e 100 c n o C 50
0 0
500
1000
1500
2000
2500
Altura efectiva(m)
Como se puede observar en la gráfica, en estas condiciones de dispersión y adviento, debido a la turbulencia y el viento, el avión podrá volar a cualquier altura ya que la concentración máxima obtenida es de 299 ug/m3, es decir no excederá a ninguna altura los 500 ug/m3, pero se recomienda viajar a una altura efectiva mayor a los 500 m, ya que a partir de aquí las concentraciones empiezan a disminuir.
