Расчет
распространения вредных веществ в атмосфере.
Вредные вещества, с которыми сталкиваются в своей работе специалисты по
вентиляции, относятся к третьей группе загрязнителей. Промышленные
выбросы можно разделить на технологические и вентиляционные. Первые,
как правило, имеют более высокую концентрацию загрязнителей.
Источники выбросов подразделяют на точечные, линейные и объемные. Они
могут быть расположены на уровне поверхности земли или на некоторой
высоте над ним.
К точечным источникам относятся трубы, через которые осуществляется
выброс загрязненного воздуха, шахты вытяжных систем вентиляции и т. п.
Линейные источники — аэрационные фонари и группы близко
расположенных точечных источников (ряд вентиляционных шахт).
Объемные источники — зоны аэродинамического следа,
загрязненные
выбросами из зданий. Часть вредных веществ из аэрационных фонарей,
вентиляционных и технологических шахт попадает в зону аэродинамического
следа и накапливается в ней, образуя приземное загрязненное облако.
Вредные вещества от наземных источников распространяются вдоль
поверхности земли стелющимся потоком.
Наиболее хорошо изучены закономерности распространения вредных веществ
от точечных источников.
Распространение газообразных примесей и пылевых частиц размером до 20
мкм, имеющих незначительную скорость осаждения, подчиняется одинаковым
закономерностям. Более крупные частицы выпадают из газового облака и
оседают на поверхность земли. Так как в настоящее время практически вся
крупная пыль улавливается в очистных установках, то рассеивание пыли в
атмосфере можно рассчитывать так же, как и рассеивание газообразных
загрязнителей.
Форма струи, вытекающей из трубы, зависит в основном от состояния
атмосферы. Различают три основные формы струи: волнообразная,
конусоЪбразная и веерообразная.
Изменение концентрации загрязняющих веществ вдоль оси струи зависит от
высоты трубы и турбулентного перемешивания. На некотором расстоянии
Хмакс всегда образуется максимальная концентрация Смаке- Это расстояние
тем меньше, чем ниже труба и чем сильнее турбулентность.
Как правило, вентиляционный загрязненный воздух поступает в атмосферу в
виде факельных выбросов. Механизм действия факельного выброса основан
на дальнобойности свободной затопленной струи и эжекционном
перемешивании ее с окружающим воздухом. Ветер, естественно, искривляет
ось струи, уменьшая высоту выброса, но обеспечивает более интенсивное
рассеивание выбросов благодаря турбулентной диффузии.
При рассмотрении законов движения частиц в атмосфере различают два вида
диффузии: 1) молекулярную, связанную со случайным и беспорядочным
движением молекул; 2) турбулентную, обусловленную вихревым полем
атмосферы. Интенсивность турбулентной диффузии даже в сравнительно
спокойном воздухе во много раз превосходит интенсивность молекулярной
диффузии. Диффузионный перенос происходит из областей с более высокими
концентрациями примесей в области пониженных их значений (частично даже
навстречу ветру).
Число Ri характеризует интенсивность турбулентного перемешивания
атмосферы соотношением значений стабилизирующих и турбулизирующих
факторов.
Процесс турбулентной диффузии математически описывается уравнением
диффузии. Аналитические решения уравнения диффузии при значительном
упрощении постановки задачи с экспериментальными поправками положены в
основу инженерных способов расчета рассеивания вредных веществ в
атмосфере.
Расчет концентрации вредных примесей на промышленной площадке и в ее
окрестности является обязательным приложением к проекту генерального
плана объекта. Результаты такого расчета дают возможность предъявлять
вполне определенные требования к степени очистки выбросов. Зная
мощность источников вредных веществ (по данным технологов), можно
определить и мощность очистных установок.
Расчетные формулы определяют концентрацию вредных примесей в точке с
заданными координатами (обычно на уровне поверхности земли) в
зависимости от мощности источника, скорости ветра, высоты трубы,
координат места расположения источника и коэффициентов турбулентного
обмена в воздухе атмосферы.
Решение уравнения диффузии вредных газов на основе статистической
теории было получено Тейлором.
Концентрация вредных веществ у поверхности земли максимальна в точке с
координатами #=0, z—0, х=хчакс- При постоянных и равных
коэффициентах Су и Cz эта концентрация, г/м3, равна:
т. е. концентрация прямо пропорциональна расходу вредных веществ и
обратно пропорциональна скорости ветра v и квадрату высоты трубы Я.
Формулы Сеттона и аналогичные формулы, предложенные П. И. Андреевым,
дают хорошую сходимость с данными эксперимента. Эмпирические
коэффициенты, определяющие условия турбулентности в каждом конкретном
случае, изменяются по данным разных авторов в широком диапазоне:
СУ=С2=0,05 (П. И Андреев), Cy=Cz=0,2 (С. А. Клюгин), Су=0,21 и С2=0,12
(зарубежные авторы).
Главной геофизической обсерваторией имени А. И. Воейкова разработан
метод определения требуемой высоты дымовых труб крупных котельных и
ТЭЦ. Этот метод предназначен для расчета труб высотой более 50 м,
выделяющих свыше 20 м3/с газов при tT—?Н=30°С и
более.