INFORME MODELOS DE DISPERSION GAUSSIANO E ISC3 (EPA)

Integrantes:

Marcos Amilkar Blanco VaccaSelene Daza CastroAdreina Hernandez ManjarresStefany Jimnez OspinoEiber Orozco OateLuis Alfonso Pinto Del Valle

Presentado a:Ing. ngel Polo Crdoba

UNIVERSIDAD POPULAR DEL CESARFACULTAD DE INGENIERAS Y TECNOLOGIASPROGRAMA: INGENIERIA AMBIENTAL Y SANITARIACONTROL DE LA CONTAMINACIN ATMOSFERICAVALLEDUPAR-CESAR2014

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INTRODUCCCIN

La modelizacin del transporte de contaminantes sirve para la determinacin de la variacin de la concentracin de un determinado contaminante en el espacio y en el tiempo. De esta manera, podremos estimar ciertos parmetros de emisin desde una fuente fija para mantener los lmites indicados por la legislacin en las zonas circundantes al foco emisor cuando se disea una chimenea industrial, en la planificacin del territorio, etc. Existen varios tipos de modelos y paquetes de software destinados a la estudiar la evolucin de los contaminantes en la atmsfera. De todos los modelos desarrollados, uno de los ms usados, cuando los contaminantes no son reactivos, es el modelo de dispersin gaussiano. ste modelo parte de varias suposiciones, lo que hace que no sea totalmente preciso en donde encontramos las siguientes:

La velocidad y direccin del viento entre el foco emisor y el receptor de contaminantes es constante, todo el vertido permanece en la atmsfera sin reaccin alguna y no existe deposicin en forma de lluvia o partculas, la dispersin se puede describir por una distribucin de Gauss.

Por otra parte existen diversos factores de los que depende la dispersin de contaminantes, Naturaleza fsica y qumica de la emisin, meteorologa de la zona, ubicacin y tamao de la chimenea, caractersticas orogrficas del terreno.

En el siguiente informe se quiere simular por medio del software MATLAB las emisiones provenientes de una fuente fija variando los diferentes parmetros por los cuales se rige el modelo anteriormente descritos, con el fin de determinar la variacin de las emisiones que son alteradas por este cambio de datos; Para luego ser comparadas con el modelo de dispersin ISC3 (EPA).

FUNDAMENTACIN DEL MODELO DE DISPERSIN GAUSSIANO

La ecuacin general del modelo de Gauss para la medida de la contaminacin en cualquier punto (frmula de Sutton):

Donde:C: Concentracin de contaminante en el punto (x,y,z).Q: Caudal de emisin del contaminante.yz:Son las desviaciones estndar en las direcciones "y" y "z" respectivamente:u: Velocidad del viento en la boca de la chimenea:H: Altura efectiva de la chimenea.

Las desviaciones estndar en las direcciones y y z se calculan de la siguiente manera:

NOTA: estas variables tambin pueden ser calculadas utilizando los mtodos grficos y matemticos.El resto de constantes dependen de la distancia al foco y del tipo de estabilidad atmosfrica:x1km

EstabilidadacDfcdf

A213440,81,9419,27459,72,094-9,6

B156106,61,1493,3108,21,0982,0

C10461,00,911061,00,9110

D6833,20,725-1,744,50,516-13,0

E50,522,80,678-1,355,40,305-34,0

F3414,350,740-0,3562,60,180-48,6

La estabilidad atmosfrica se puede hallar en la siguiente tabla:Velocidad de Viento de Superficie (a 10 m) (m/s)InsolacinNoche

FuerteModeradoLeveLigeramente nublado o pequea cubierta de nubes 4/8Cubierta de nubes de 3/8

< 2AA-BB--

2-3A-BBCEF

3-5BB-CCDE

5-6CC-DDDD

> 6CDDDD

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RESULTADOS DE LA SIMULACIN MODELO DE DISPERSION GAUSSIANO FUENTE CONTINA

A continuacin se presenta la simulacin correspondiente al modelo de dispersin Gaussiano utilizando el software Matlab, teniendo en cuenta la variabilidad presentada en la velocidad de salida del gas de la siguiente manera:

Grafico 2. En condiciones mnimas de Velocidad de salida del gas. Grafico 1. En condiciones estndar de Velocidad de salida del gas. (Valor por defecto)

RESULTADOS Y DISCUSINComo se puede observar en los Grficos 1, 2 y 3 no se presentan variaciones en la concentracin de las emisiones cuando se cambian los valores de velocidad de salida del gas teniendo como resultado 182.175 ppm. De igual forma los Grficos anteriormente citados permiten interpretar que a medida que la velocidad de salida de los gases aumenta la distancia recorrida por estos en el eje horizontal disminuye y por consiguiente hay un menor alcance de las emisiones contaminantes que se traduce en una mayor dispersin vertical de los mismos como se puede observar en el grafico 2. Por otra parte en los grficos 1 y 3 donde se tienen valores de velocidad de salida del gas bajas la pluma de dispersin supera una distancia de 120 m, sin embargo esta se hace muy fina disminuyendo la concentracin de las emisiones medidas en g/m3, Representadas en el eje de las y. Grafico 3. En condiciones altas de velocidad de salida del gas.

A continuacin se presenta la simulacin correspondiente al modelo de dispersin Gaussiano utilizando el software Matlab, teniendo en cuenta la variabilidad presentada en la Altura de la Fuente de la siguiente manera:

Grafico 4. Altura estndar de La Fuente. (Valor por defecto)

Grafico 5. Altura mnima de La Fuente.

RESULTADOS Y DISCUSINLa altura de la chimenea es un parmetro muy importante cuando se quiere tener una buena dispersin. Como se puede observar en los Grficos 4, 5 y 6 se presentan variaciones en la concentracin de las emisiones cuando se cambian los valores de la altura de la fuente, partiendo de la conjetura que a medida que la altura de la fuente aumenta la concentracin de las emisiones disminuyen lo que permite determinar que estas dos variables tienen un comportamiento inverso; Esto se da debido a que a mayor altura de la chimenea mayor ser la probabilidad de que los contaminantes se dispersen y diluyan.

Grafico 6. Altura mxima de la Fuente.

A continuacin se presenta la simulacin correspondiente al modelo de dispersin Gaussiano utilizando el software Matlab, teniendo en cuenta la variabilidad presentada en la temperatura del gas de la siguiente manera:

Grafico 8. En condiciones mnimas de Temperatura del Gas.Grafico 7. En condiciones estndar de Temperatura del Gas. (Valor por defecto)

RESULTADOS Y DISCUSINA partir de los Grficos 7, 8 y 9 se puede inferir que la temperatura del gas es directamente proporcional a la dispersin de la misma aunque esta no infiera de forma directa en la concentracin de las emisiones provenientes de la actividad desarrollada.En conclusin se seala que en cuanto ms alta es la temperatura de salida de los gases, mayor ser la flotabilidad de stos, y por lo tanto, ascendern a una mayor altura a la que normalmente alcanzaran por efecto de la velocidad a la que son expulsados. Conjetura que est demostrada en los Grficos de superficie simuladas en el software y que estn citadas en el prrafo anterior.

Grafico 9. En condiciones altas de Temperatura del Gas.

A continuacin se presenta la simulacin correspondiente al modelo de dispersin Gaussiano utilizando el software Matlab, teniendo en cuenta la variabilidad presentada en la cantidad de emisiones de la siguiente manera:

Grafico 11. Bajas cantidades de emisiones. Grafico 10. Cantidades estndar de emisiones. (Valor por defecto)

RESULTADOS Y DISCUSINPor razones lgicas a medida que aumentan las cantidades de emisiones la concentracin de los contaminantes presentes en el punto de descarga aumentan y se hacen resistentes a los factores de dispersin propios del modelo empleado y condiciones meteorolgicas del ambiente lo que permite que se pueda observar concentraciones significativas de contaminantes a distancias considerables del foco de emisiones como se puede observar en el grafico 12 que presenta concentracin de 485.799 ppm. Concentraciones altas teniendo en cuenta que su distancia recorrida en el eje horizontal supera los 120 m.

Grafico 12. Altas cantidades de emisiones.

A continuacin se presenta la simulacin correspondiente al modelo de dispersin Gaussiano utilizando el software Matlab, teniendo en cuenta la variabilidad presentada en la temperatura ambiente de la siguiente manera:

Grafico 14. En condiciones mnimas de Temperatura Ambiente. Grafico 13. En condiciones estndar de temperatura ambiente. (Valor por defecto)

RESULTADOS Y DISCUSINComo se puede observar en los Grficos 13, 14 y 15 no se produjo una variacin considerable en la concentracin de las emisiones respecto a la temperatura ambiente en donde se encuentra la fuente fija teniendo como resultado una pluma de dispersin practicante idntica a medida que se cambia la temperatura asignada; debido a que la temperatura presente en el ambiente es mucho menor que la temperatura con que salen los gases de escape de la chimenea lo cual no impide el movimiento de los mismos logrando la dispersin generalmente normal. Cabe resaltar que a medida que aumenta la temperatura del ambiente aumenta la concentracin de las emisiones esto debido a que la temperatura ambiente elevada consigue una condicin idnea para el aumento en la dispersin y concentracin teniendo en cuenta que esta se asemeja a la temperatura de los gases de emisin.Grafico 15. En condiciones altas de Temperatura Ambiente.

A continuacin se presenta la simulacin correspondiente al modelo de dispersin Gaussiano utilizando el software Matlab, teniendo en cuenta la variabilidad presentada en la velocidad del viento de la siguiente manera:

Grafico 16. En condiciones estndar de velocidad del viento. (Valor por defecto)Grafico 17. En condiciones mnimas de velocidad del viento.

RESULTADOS Y DISCUSINLa velocidad del viento vara con el tipo de terreno: urbano o rural. Por tanto, el tipo de terreno afecta a su vez a la velocidad del viento. En el Grafico 17 se puede observar que la pluma de dispersin para velocidad del viento de 1 m/seg no supera una distancia horizontal de recorrido de 90 m con una concentracin de 910.874 ppm bastante considerable a diferencia de las temperaturas mayores a 5 m/seg que la distancia recorrida por la pluma de dispersin supera los 120 m y la concentracin de los contaminantes disminuye drsticamente dato que se puede observar en los grficos 16 y 18 este ltimo con la concentraciones ms bajas menores a 60 ppm.La velocidad del viento puede afectar en gran medida la concentracin de contaminantes en un rea. Mientras mayor sea la velocidad del viento, menor ser la concentracin de contaminantes. El viento diluye y dispersa rpidamente los contaminantes en el rea circundante.

La velocidad del viento vara con el tipo de terreno: urbano o rural. Por tanto, el tipo de terreno afecta a su vez a la velocidad del viento.

Grafico 18. En condiciones altas de velocidad del Viento.

RESULTADOS DE LA SIMULACIN MODELO DE DISPERSION GAUSSIANO ISC3 (EPA)

A continuacin se presenta la simulacin correspondiente al modelo de dispersin Gaussiano ISC3 (EPA), utilizando el software Matlab, teniendo en cuenta la variabilidad presentada en la velocidad de salida del gas de la siguiente manera:Grafico 20. En condiciones mnimas de Velocidad de salida del gas. Grafico 19. En condiciones estndar de velocidad de salida del gas. (Valor por defecto)

RESULTADO Y DISCUSIN Como se puede observar en los Graficos19 Y 20 LAS GRAFICAS de dispersin muestran un pico en las concentraciones de las emisiones de 0,0177 g/m3 a una distancia aproximada de 500 metros desde el foco de la chimenea simulada por el software Matlab. En primera instancia se puede inferir que al variar la velocidad de salida de los gases no se presenta ningn tipo de modificacin en la dispersin y distancia recorrida por la masa de aire emanada de la chimenea lo que da a conocer que la velocidad de salida del gas no impacta directamente en la concentracin de las emisiones.

A continuacin se presenta la simulacin correspondiente al modelo de dispersin Gaussiano ISC3 (EPA), utilizando el software Matlab, teniendo en cuenta la variabilidad presentada en la altura de la fuente de la siguiente manera:

Grafico 22. En condiciones mnimas de altura de chimenea. Grafico 21. En condiciones estndar de altura chimenea. (Valor por defecto)

RESULTADOS Y DISCUSINEn los Grficos 21 a 23 se puede notar que la altura de la chimenea es un factor fundamental para tener una buena dispersin, cuando se desea mantener baja la concentracin de contaminantes, una buena opcin es construir chimeneas con altura suficiente para obtener una buena dispersin. Que es el caso del grafico 23 que representa la altura mayor de las tres expuestas en este anlisis. Por otro lado se puede deducir que a medida que se disminuye la altura de la chimenea se aumenta la concentracin de los contaminantes en una menor rea como es el caso del grafico 21 en el cual se presenta la mayor concentracin y menor dispersin de los tres casos evaluados.Por tanto los resultados obtenidos indican que, cuando se desea mantener baja la concentracin de contaminantes, una buena opcin es construir chimeneas con altura suficiente para obtener una buena dispersin.

Grafico 23. En condiciones mximas de altura de la chimenea.

A continuacin se presenta la simulacin correspondiente al modelo de dispersin Gaussiano ISC3 (EPA), utilizando el software Matlab, teniendo en cuenta la variabilidad presentada en la Temperatura del gas de la siguiente manera:Grafico 25. En condiciones mnimas de temperatura del gas.

RESULTADOS Y DISCUSINEn los Grficos 24, 25 y 26 se puede notar que las tres graficas se presentan idnticas aunque vari la temperatura de las gases que estn siendo emitidos por la fuente fija, esto representa una dificultad en cuanto a su anlisis debido a que los gases salientes de la chimenea si estn muy fros, la concentracin es ms alta en la zona cercana a la chimenea; el valor mximo tiende a permanecer en el mismo sitio, pero la concentracin vara, lo cual no es el caso en cuestin debido a que la pluma se encuentra aproximadamente 500 m del foco de emisiones (distancia considerable) y que la concentracin se mantiene constante sin importar la variacin de la temperatura de los gases de sala. Lo que permite concluir que en este caso el simulador no tiene en cuenta los criterios bsicos antes mencionados para representar lo que sucedera en la realidad si se cambiara la temperatura de los gases.

Grafico 23. En condiciones mximas de temperatura del gas.Grafico 24. En condiciones estndar de temperatura del gas. (Valor por defecto)

A continuacin se presenta la simulacin correspondiente al modelo de dispersin Gaussiano ISC3 (EPA), utilizando el software Matlab, teniendo en cuenta la variabilidad presentada en la velocidad del viento de la siguiente manera:Grafico 16. En condiciones estndar de velocidad del viento. (Valor por defecto)

Grafico 2. En condiciones bajas de Velocidad del viento.

RESULTADOS Y DISCUSINSe puede establecer que la velocidad del viento debe ser preferiblemente alta; sin embargo, es posible notar que el efecto no es muy marcado en la zona prxima a la chimenea. Esto se debe en parte a que en las ecuaciones de Briggs (utilizadas en el este modelo de dispersin), el incremento en la altura de la pluma es inversamente proporcional a la velocidad del viento, y por lo tanto a menores velocidades del viento, mayor ser el incremento de altura, y por consiguiente la concentracin disminuir. Como se puede ver en los Grficos 24 a 26.

Grafico 23. En condiciones mximas de velocidad del viento.

CONCLUSINES

En conclusin se puede mencionar que los modelos de dispersin atmosfrica es la simulacin matemtica de cmo los contaminantes del aire se dispersan en la atmsfera ambiente. Se realiza con los programas informticos que resuelven las ecuaciones y algoritmos que simulan la dispersin de contaminantes matemticos. Los modelos de dispersin se utilizan para estimar o predecir la concentracin a favor del viento de contaminantes o toxinas emitidas por fuentes tales como plantas industriales, el trfico vehicular o liberaciones accidentales de productos qumicos.Los gases emitidos por las chimeneas muchas veces son impulsados por sistemas de ventilacin. A medida que los gases de escape turbulentos son emitidos por la pluma, se mezclan con el aire del ambiente. Esta mezcla del aire ambiental en la pluma se denomina arrastre. Durante el arrastre en el aire, la pluma aumenta su dimetro mientras viaja a sotavento. Al entrar en la atmsfera, estos gases tienen un momentum. Muchas veces se calientan y se vuelven ms clidos que el aire externo. En estos casos, los gases emitidos son menos densos que el aire exterior y, por lo tanto, flotantes que es el caso de los grficos 13, 14 y 15 que en consecuencia la combinacin del momentum y la flotabilidad de los gases hace que estos se eleven. Este fenmeno, conocido como elevacin de la pluma, permite que los contaminantes emitidos al aire en esta corriente de gas se eleven a una altura mayor en la atmsfera. Al estar en una capa atmosfrica ms alta y ms alejada del suelo, la pluma experimentar una mayor dispersin antes de llegar a este lo que disminuye la concentracin de las emisiones.En los grficos 16 a 18 se puede observar que el viento diluye los contaminantes a medida que son emitidos y los transporta lejos de su fuente. Normalmente, la dilucin de los contaminantes est en proporcin directa con la velocidad media del viento a travs de la columna de humo del contaminante. En general, el viento es el que indica la velocidad y la direccin del movimiento de la masa de esta columna de humo y afecta tambin la magnitud de la dispersin que puede tener lugar. En este caso los grficos muestran una mayor concentracin de contaminantes cuando la velocidad de los vientos son menor y que se presentan mayores concentraciones en el foco de emisin que a distancias ms apartadas de este.En cuanto a la altura de la chimenea para el caso de fuentes fijas se pudo determinar con la simulacin por ambos modelos que hay un desplazamiento del punto mximo de concentracin (ver Grficos 21 a 23), obtenindose valores ms bajos y ms alejados, para mayores alturas de chimenea; cabe sealar, que al incrementar la altura, tambin aumenta la velocidad del viento en la zona de descarga de los gases, lo cual es beneficioso en pro de lograr una disposicin eficiente y eficaz de las emisiones contaminantes.En conclusin la dispersin de los contaminantes y su concentracin est ligada a diferentes variables que generan cambios significativos en el comportamiento de las emisiones y dispersin de las mismas aunque es importante resaltar que la temperatura de los gases, velocidad del viento, cantidad de emisiones, altura de la chimenea, y temperatura ambiente representan factores relevantes en cuanto a las caractersticas propias del modelo de dispersin gaussiano de fuentes continuas y el modelo ISC3 (EPA).