3. Transporte y dispersión de contaminantes atmosféricos.

Conceptos básicos

 En general, la concentración de contaminantes disminuye a medida que se alejan del punto de descarga y son dispersados por el viento y otras fuerzas naturales. Las variaciones del clima influyen en la dirección y dispersión general de los contaminantes.

La dispersión y transporte de contaminantes pueden estar afectados por factores climáticos y geográficos. Un ejemplo es la inversión térmica. Como se mencionó anteriormente, la inversión térmica es una condición atmosférica causada por una interrupción del perfil normal de la temperatura de la atmósfera.

La inversión térmica puede retener el ascenso y dispersión de los contaminantes de las capas más bajas de la atmósfera y causar un problema localizado de contaminación del aire.

Circulación global de los contaminantes

La dispersión de contaminantes de una fuente depende de la cantidad de turbulencia en la atmósfera cercana. La turbulencia puede ser creada por el movimiento horizontal y vertical de la atmósfera. El movimiento horizontal es lo que comúnmente se llamamos viento.

La velocidad del viento puede afectar en gran medida la concentración de contaminantes en un área. Mientras mayor sea la velocidad del viento, menor será la concentración de contaminantes en una zona determinada. El viento diluye y dispersa rápidamente los contaminantes en el área circundante.
 

El viento es causado por las diferencias en la presión atmosférica. La presión es el peso de la atmósfera en un punto dado. La altura y temperatura de una columna de aire determinan el peso atmosférico.

Debido a que el aire frío pesa más que el caliente, la masa de alta presión está constituida de aire frío y pesado. Por el contrario, una masa de baja presión de aire está formada por aire más caliente y liviano. Las diferencias de presión hacen que el aire se mueva de las áreas de alta presión a las de baja presión, lo que da lugar al viento.

 Características generales de las plumas y chimeneas

La manera más común de dispersar los contaminantes del aire es a través de una chimenea. Esta a menudo se usa como un símbolo de la contaminación del aire. Es una estructura que se ve comúnmente en la mayoría de industrias y tiene el objetivo de dispersar los contaminantes antes de que lleguen a las poblaciones. 

Generalmente se diseñan teniendo en cuenta a la comunidad circundante. Mientras más alta sea la chimenea, mayor será la probabilidad de que los contaminantes se dispersen y diluyan antes de afectar a las poblaciones vecinas. 

A la emanación visible de una chimenea se le denomina pluma. La altura de la pluma está determinada por la velocidad y empuje de los gases que salen por la chimenea. A menudo, se añade energía calórica a los gases para aumentar la altura de la pluma. Las fuerzas naturales hacen que la pluma tenga velocidad vertical, como sucede con el humo de las chimeneas residenciales.

 La figura 21 (a y b) muestran los efectos de la altura de la chimenea y de los alrededores inmediatos sobre la forma de la pluma. Mientras más corta sea la chimenea, mayor será la probabilidad de que la pluma esté afectada.

 

 Modelos de dispersión 

Los modelos de dispersión son un método para calcular la concentración de contaminantes a nivel del aire y a diversas distancias de la fuente. En la elaboración de modelos se usan representaciones matemáticas de los factores que afectan la dispersión de contaminantes. Las computadoras, mediante modelos, facilitan la representación de los complejos sistemas que determinan el transporte y dispersión de los contaminantes del aire.

Cuando se hace un modelo del transporte y dispersión de contaminantes del aire se recopila información específica de un punto de emisión. Esta información incluye la ubicación del punto de emisión (longitud y latitud), la cantidad y tipo de los contaminantes emitidos, condiciones del gas de la chimenea, altura de la chimenea y factores meteorológicos tales como la velocidad del viento, perfil de la temperatura ambiental y presión atmosférica. 

                                          Ej.

                                        

 Características generales de las chimeneas

 Se definen como tales a los conductos construidos para dar salida a la atmósfera libre a gases resultantes de una combustión o de una reacción química (“gases de cola”) para su dispersión en el aire del ambiente.

Es un sistema usado para evacuar gases calientes y humo de calderas, calentadores, estufas, hornos, fogones u hogares a la atmósfera. Como norma general son completamente verticales para asegurar que los gases calientes puedan fluir sin problemas, moviéndose por convección térmica (diferencia de densidades).

 

En la definición de una chimenea intervienen, fundamentalmente, los siguientes elementos:

1.     Sección interior, o de paso de gases
2.      Altura
2.1.   Para dispersión de gases en la atmósfera libre
2.2.   Para la obtención de una depresión mínima determinada en su base
3.      Tipo de material estructural (o externo)
3.1.    Resistencia a las acciones externas
3.1.1  Viento
3.1.2. Sismos
3.2.    Cimentación (conocimiento de la geología del terreno)
4.       Tipo de material de revestimiento interior
4.1.    Resistencia a la temperatura y ataque físico-químico de los gases

Calculo de la altura efectiva de la chimenea

  

Los gases emitidos por las chimeneas muchas veces son impulsados por abanicos. 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 diámetro mientras viaja a sotavento.

Al entrar en la atmósfera, estos gases tienen un momentum. Muchas veces se calientan y se vuelven más cálidos que el aire externo. En estos casos, los gases emitidos son menos densos que el aire exterior y, por lo tanto, flotantes. La combinación del momentum y la flotabilidad de los gases hacen que estos se eleven. Este fenómeno, conocido como elevación de la pluma, permite que los contaminantes emitidos al aire en esta corriente de gas se eleven a una altura mayor en la atmósfera. Al estar en una capa atmosférica más alta y más alejada del suelo, la pluma experimentará una mayor dispersión antes de llegar a este.
 

La altura final de la pluma, conocida como altura efectiva de chimenea (H), es la suma de la altura física de la chimenea (hs) y la elevación de la pluma. En realidad, la elevación de la pluma se estima a partir de la distancia existente hasta la línea central imaginaria de la pluma y no hasta el borde superior o inferior de esta. La elevación de la pluma depende de las características físicas de la chimenea y del efluente (gas de chimenea).

La diferencia de temperatura entre el gas de la chimenea (Ts) y el aire ambiental (Ta) determina la densidad de la pluma, que influye en su elevación. Además, la velocidad de los gases de la chimenea, que es una función del diámetro de la chimenea y de la tasa volumétrica del flujo de los gases de escape, determina el momentum de la pluma.

 

 

 Momentum y flotabilidad

 La condición de la atmósfera, incluidos los vientos y el perfil de la temperatura a lo largo del recorrido de la pluma, determinará en gran medida la elevación de la pluma. Dos características de esta influyen en su elevación: el momentum y la flotabilidad. La velocidad de salida de los gases de escape emitidos por la chimenea contribuyen con la elevación de la pluma en la atmósfera. Este momentum conduce el efluente hacia el exterior de la chimenea a un punto en el que las condiciones atmosféricas empiezan a afectar a la pluma.
 

Una vez emitida, la velocidad inicial de la pluma disminuye rápidamente debido al arrastre producido cuando adquiere un momentum horizontal. Este fenómeno hace que la pluma se incline. A mayor velocidad del viento, más horizontal será el momentum que adquirirá la pluma. Por lo general, dicha velocidad aumenta con la distancia sobre la superficie de la Tierra. A medida que la pluma continúa elevándose, los vientos más fuertes hacen que se incline aún más. Este proceso persiste hasta que la pluma parece horizontal al suelo. El punto donde la pluma parece llana puede ser una distancia considerable de la chimenea a sotavento. La velocidad del viento es importante para impulsar la pluma. Mientras más fuerte, más rápido será el serpenteo de la pluma.

 El arrastre del aire ambiental hacia la pluma por acción del viento figura, le "quita" flotabilidad muy rápidamente, de modo que durante los días con mucho viento la pluma no se eleva muy alta sobre la chimenea.