Wydział Rolniczo - Ekonomiczny

Kierunek: Ochrona Środowiska

Aleksandra Sikora

Oliwia Stachowicz

Rok studiów: III

Rok akademicki: 2012/2013

ĆWICZENIE NUMER 1

z przedmiotu Ochrona Powietrza

Tytuł: Obliczenie odległości x_m od miejsca emisji maksymalnego zanieczyszczenia powietrza S_mm dla tlenku węgla.

Kraków 2013

Podstawa obliczeń:

Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 26 I 2010 roku w sprawie wartości odniesienia dla niektórych substancji w powietrzu. Dziennik Ustaw nr 16 z 2010 roku, Poz. 87.

Dane do obliczeń poziomów substancji w powietrzu:

• Parametry emitora:

• Geometryczna wysokość emitora liczona od poziomu terenu – h=19m

• Średnica wewnętrzna wylotu emitora – d=1,3m

• Prędkość gazów odlotowych na wylocie emitora – v=4,3 m/s

• Temperatura gazów odlotowych na wylocie emitora– T=418,15K

• Emisja:

• Maksymalną emisję uśrednioną dla jednej godziny - E_g=1850mg/s

• Dane meteorologiczne:

• Statystyka stanów równowagi atmosfery, prędkości i kierunków wiatru (róża wiatru)

• Wartość współczynnika aerodynamicznej szorstkości terenu z₀=0,5

• Średnia temperatura powietrza dla okresu obliczeniowego - T₀= 279,65K

Wyróżnionych jest 36 różnych sytuacji meteorologicznych wynikających z sześciu stanów równowagi atmosfery, którym odpowiadają zakresy prędkości wiatru na wysokości h_a = 14m, ze skokiem co 1 m/s.

Tabela 1. Sytuacje meteorologiczne

Stan równowagi atmosfery	Zakres prędkości wiatru ua[m/s]
1 – silnie chwiejna	1-3
2 – chwiejna	1-5
3 – lekko chwiejna	1-8
4 – obojętna	1-11
5 – lekko stała	1-5
6– stała	1-4

Tabela 2. Stałe zależne od stanów równowagi atmosfery

Stała	1	2	3	4	5	6
m	0,080	0,143	0,196	0,270	0,363	0,440
a	0,888	0,865	0,845	0,818	0,784	0,756
b	1,284	1,108	0,978	0,822	0,660	0,551
g	1,692	1,781	1,864	1,995	2,188	2,372
C1	0,213	0,218	0,224	0,234	0,251	0,271
C2	0,815	0,771	0,727	0,657	0,553	0,745

Obliczenia:

Efektywna wysokość emitora (wysokość pozornego punktu emisji):

H= h+∆h

H=19+ 14,54= 33,54

Wyniesienie gazów ∆h zależy od prędkości wylotowej gazów v [m/s], emisji ciepła Q i prędkości wiatru na wysokości wylotu z emitora u_h [m/s].

• Obliczamy emisję ciepła wg wzoru:

Q=$\frac{\mathbf{\text{Πd}}^{\mathbf{2}}}{\mathbf{4}}\mathbf{*}\frac{\mathbf{273}\mathbf{,}\mathbf{16}}{\mathbf{T}}\mathbf{*}\mathbf{1}\mathbf{,}\mathbf{3}\mathbf{*}\mathbf{v}\mathbf{*}\mathbf{(}\mathbf{T}\mathbf{-}\mathbf{T}_{\mathbf{0}}\mathbf{)}$ [kJ/s]

Q= $\frac{{\Pi 1,3}^{2}}{4}*\frac{273,16}{418,5}*1,3*4,3*(418,15 - 279,65)$ = 669,31[kJ/s]

• Wyniesienie gazów odlotowych ∆h oblicza się na podstawie następujących formuł:

1. Formuły Hollanda, gdy0≤Q≤16 000 kJ/s, przy czym wyróżnia się następujące przypadki tej formuły:

1. ∆h=∆h_H=0 dla v≤0,5u_h

2. ∆h=∆h_H=$\frac{\mathbf{1,5}\mathbf{*v*d}\mathbf{+ 0,00974}\mathbf{*Q}}{\mathbf{u}_{\mathbf{h}}}$ dla v≥u_h

∆h=∆h_H=$\frac{\mathbf{1,5}\mathbf{*}\mathbf{4,3}\mathbf{*}\mathbf{1,3}\mathbf{+ 0,00974}\mathbf{*}\mathbf{669,31}}{\mathbf{1,02}}$= 14,54

1. ∆h=∆h_H=$\frac{\mathbf{1,5}\mathbf{*v*d}\mathbf{+ 0,00974}\mathbf{*Q}}{\mathbf{u}_{\mathbf{h}}}$*$\frac{\mathbf{v - 0,5}\mathbf{u}_{\mathbf{h}}}{\mathbf{0,5}\mathbf{u}_{\mathbf{h}}}$ dla 0,5u_h<v<u_h

1. Formuły CONCAWE, gdy Q>24 000 kJ/s

∆h=∆h_c=$\frac{\mathbf{1,126}\mathbf{*}\mathbf{Q}^{\mathbf{0,58}}}{{\mathbf{u}_{\mathbf{h}}}^{\mathbf{0,7}}}$

1. Kombinacji formuły Hollanda i CONCAWE, gdy 16 000 < Q < 24 000 kJ/s

∆h=∆h_H*$\frac{\mathbf{24000 - Q}}{\mathbf{8000}}\mathbf{+}\mathbf{h}_{\mathbf{c}}\mathbf{*}\frac{\mathbf{(Q - 16000)}}{\mathbf{8000}}$

Parametry meteorologiczne:

• Prędkość wiatru na wysokości wylotu emitora u_h dla h ≤ 300m :

$\mathbf{u}_{\mathbf{h}}\mathbf{=}\mathbf{u}_{\mathbf{a}}\mathbf{*}{\mathbf{(}\frac{\mathbf{h}}{\mathbf{14}}\mathbf{)}}^{\mathbf{m}}$ [m/s]

$\mathbf{u}_{\mathbf{h}}\mathbf{=}\mathbf{1*}{\mathbf{(}\frac{\mathbf{19}}{\mathbf{14}}\mathbf{)}}^{\mathbf{0,08}}$= 1,02[m/s]

gdzie:

u_a - prędkość wiatru na wysokości anemometru [m/s] (jedna z 36),

m - stała zależna od stanu równowagi atmosfery, tabela 2.

• Średnią prędkość wiatru w warstwie od poziomu terenu do efektywnej wysokości emitora dla H≤300m:

$\mathbf{u}_{\mathbf{s}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{u}_{\mathbf{a}}}{\mathbf{1 + m}}\mathbf{*}{\mathbf{(}\frac{\mathbf{H}}{\mathbf{14}}\mathbf{)}}^{\mathbf{m}}$ [m/s]

• Średnią prędkość wiatru w warstwie od geometrycznej wysokości emitora do efektywnej wysokości emitora dla H≤300m i H≠h obliczamy wg wzoru:

Ū$\mathbf{=}\frac{\mathbf{u}_{\mathbf{a}}}{\left( \mathbf{H - h} \right)\mathbf{*}\left( \mathbf{1}\mathbf{+}\mathbf{m} \right)\mathbf{*}\mathbf{14}^{\mathbf{m}}}$*[H^1+m−h^1+m] [m/s]

Ū$\mathbf{=}\frac{\mathbf{1}}{\left( \mathbf{33,54 - h} \right)\mathbf{*}\left( \mathbf{1}\mathbf{+}\mathbf{0,08} \right)\mathbf{*}\mathbf{14}^{\mathbf{0,08}}}$*[33, 54^1+0, 08−h^1+0, 08] = 1,05 [m/s]

• Współczynnik poziomej dyfuzji atmosferycznej:

δ_y=A*x^a

gdzie, A=0,088*(6m^−0, 3+1-ln$\frac{\mathbf{H}}{\mathbf{z}_{\mathbf{o}}}$)

A=0,088*(6*0, 08^−0, 3+1-ln$\frac{\mathbf{33,54}}{\mathbf{0,5}}$)= 0,844

• współczynnik pionowej dyfuzji atmosferycznej:

δ_z=B*x^b

gdzie,B=0,38m^1, 3*(8, 7-ln$\frac{\mathbf{H}}{\mathbf{z}_{\mathbf{o}}}$)

B=0,38*0, 08^1, 3*(8, 7-ln$\frac{\mathbf{33,54}}{\mathbf{0,5}}$)= 0,064

3. Najwyższe ze stężeń maksymalnych substancji w powietrzu Smm dla pojedynczego emitora

• Stężenie maksymalne substancji gazowej uśrednione dla 1 godziny Sm w określonej sytuacji meteorologicznej oblicza się wg wzoru:

s_m=$\mathbf{C}_{\mathbf{1}}\frac{\mathbf{E}_{\mathbf{g}}}{\mathbf{u}\mathbf{\text{AB}}}\mathbf{(}{\frac{\mathbf{B}}{\mathbf{H}}\mathbf{)}}^{\mathbf{g}}\mathbf{*}\mathbf{1000}$ [μg/m³]

s_m=$\mathbf{0}\mathbf{,213}\frac{\mathbf{1850}}{\mathbf{1,05*}\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{844}\mathbf{*}\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{064}}\mathbf{(}{\frac{\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{064}}{\mathbf{33}\mathbf{,}\mathbf{54}}\mathbf{)}}^{\mathbf{1}\mathbf{,}\mathbf{692}}\mathbf{*}\mathbf{1000}$ = 173,9 [μg/m³]

• Stężenia Sm występują w stosunku do emitora w odległości x_mwyrażonej wzorem:

$\mathbf{x}_{\mathbf{m}}\mathbf{=}\mathbf{C}_{\mathbf{2}}\mathbf{(}{\frac{\mathbf{H}}{\mathbf{B}}\mathbf{)}}^{\mathbf{1}\mathbf{/}\mathbf{b}}$ [m]

$\mathbf{x}_{\mathbf{m}}\mathbf{=}\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{815}\mathbf{(}{\frac{\mathbf{33}\mathbf{,}\mathbf{54}}{\mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{064}}\mathbf{)}}^{\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{1}\mathbf{,}\mathbf{284}}}$ =106,9 [m]

TABELA:

ua	Q	uh	Δh	H	ū	A	B	sm	xm
1	669,31	1,02	14,54	33,54	1,05	0,844	0,064	173,9	106,9
2	669,31	2,05	7,27	26,27	2,08	0,866	0,068	134,5	84,8
3	669,31	3,07	4,85	23,85	3,10	0,874	0,069	106,5	77,4
1	669,31	1,04	14,27	33,27	1,05	0,665	0,137	237,4	110,0
2	669,31	2,09	7,13	26,13	2,08	0,686	0,144	186,2	84,4
3	669,31	3,13	4,76	23,76	3,10	0,695	0,147	148,2	76,0
4	669,31	4,18	3,57	22,57	4,13	0,699	0,148	122,3	71,9
5	669,31	5,22	2,85	21,85	5,15	0,702	0,149	103,9	69,4
1	669,31	1,06	14,04	33,04	1,05	0,580	0,206	256,1	130,7
2	669,31	2,12	7,02	26,02	2,08	0,601	0,217	203,9	97,1
3	669,31	3,19	4,68	23,68	3,10	0,609	0,221	163,2	86,5
4	669,31	4,25	3,51	22,51	4,13	0,614	0,224	135,1	81,2
5	669,31	5,31	4,39	23,39	5,17	0,611	0,222	100,4	85,1
6	669,31	6,37	2,66	21,66	6,18	0,617	0,225	97,1	77,4
7	669,31	7,43	1,66	20,66	7,20	0,621	0,227	91,1	73,1
8	669,31	8,49	1,06	20,06	8,22	0,624	0,229	84,5	70,5
1	669,31	1,09	13,72	32,72	1,05	0,502	0,313	245,8	188,0
2	669,31	2,17	6,86	25,86	2,08	0,523	0,329	200,7	132,7
3	669,31	3,26	4,57	23,57	3,10	0,531	0,336	162,2	115,8
4	669,31	4,34	3,43	22,43	4,13	0,535	0,339	134,9	107,7
5	669,31	5,43	4,13	23,13	5,17	0,533	0,337	101,2	112,6
6	669,31	6,52	2,49	21,49	6,18	0,539	0,342	98,3	101,1
7	669,31	7,60	1,55	20,55	7,20	0,543	0,345	92,5	94,7
8	669,31	8,69	0,97	19,97	8,21	0,546	0,347	85,8	90,9
9	669,31	9,77	0,00	19,00	9,77	0,550	0,351	79,8	84,5
10	669,31	10,86	0,00	19,00	10,86	0,550	0,351	71,8	84,5
11	669,31	11,95	0,00	19,00	11,95	0,550	0,351	65,3	84,5
1	669,31	1,12	13,34	32,34	1,05	0,437	0,461	201,0	346,4
2	669,31	2,23	6,67	25,67	2,08	0,457	0,485	170,7	226,4
3	669,31	3,35	4,45	23,45	3,10	0,465	0,494	140,0	191,8
4	669,31	4,47	6,81	25,81	4,15	0,457	0,484	84,3	228,7
5	669,31	5,59	3,83	22,83	5,16	0,467	0,497	89,3	182,7
1	669,31	1,14	13,03	32,03	1,05	0,397	0,593	157,9	1037,3
2	669,31	2,29	6,52	25,52	2,08	0,417	0,623	139,2	628,3
3	669,31	3,43	4,34	23,34	3,10	0,425	0,635	115,9	517,0
4	669,31	4,58	6,43	25,43	4,15	0,418	0,624	70,2	623,5

s_mm = 173,9 [μg/m³]

x_m= 106,9 [m]

Sprawdzenie czy spełniony jest warunek:

• Smm ≤ 0,1*D1

D₁= 30 000 μg/m³

173,9 [μg/m³] ≤ 0,1 * 30 000 µg/m³

173,9 [μg/m³] ≤ 3000 µg/m³

WNIOSKI:

Warunek został spełniony

Występująca emisja tlenku węgla nie przekracza normy dopuszczalnej zawartości tych substancji w powietrzu. Środki służące ograniczeniu tlenku węgla do atmosfery nie są konieczne do podjęcia.

Tlenek węgla powstaje podczas procesu niepełnego spalania materiałów palnych, w tym paliw, które występuje przy niedostatku tlenu w otaczającej atmosferze. Może to wynikać z braku dopływu zewnętrznego powietrz do urządzenia, w którym następuje spalanie gazu (lub innych paliw). Jest to szczególnie groźne w mieszkaniach w których okna są szczelne lub uszczelnione na zimę.

• Niebezpieczeństwo zaczadzenia wynika z faktu, że tlenek węgla:

-      jest gazem niewyczuwalnym zmysłami człowieka (bezwonny, bezbarwny 
i pozbawiony smaku),

-       blokuje dostęp tlenu do organizmu, poprzez zajmowanie jego miejsca w czerwonych ciałkach krwi, powodując przy długotrwałym narażeniu (w większych dawkach) śmierć przez uduszenie.

• Główną przyczyną zatruć czadem – tlenkiem węgla są:

-  niedostosowania istniejącego systemu wentylacji do standardów szczelności stosowanych okien i drzwi, w związku z wymianą starych okien i drzwi na nowe (szczelnie zamknięte okna w pomieszczeniach w którym następuje spalanie gazu lub innych paliw). Najczęściej do wypadków związanych z zatruciem czadem dochodzi w łazience wyposażonej w grzałkę wody przepływowej tzw. terma gazowa czy junkers; 

-  niesprawność przewodów kominowych: wentylacyjnych, spalinowych i dymowych.