Energía y medio ambiente

Cómo los ingenieros calculan la contaminación de las chimeneas

Cómo los ingenieros calculan la contaminación de las chimeneas


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Cuando miramos el mundo y examinamos los aspectos que producen contaminación, podríamos considerar que las chimeneas son algunos de los peores infractores. Si bien eso es técnicamente cierto, las chimeneas también tienen un propósito importante de mantener el aire a nivel del suelo seguro para respirar y ayudar a controlar la contaminación producida.

Pensando en las épocas del pasado, la revolución preindustrial, podríamos idealizar el período de tiempo. Podríamos imaginar laderas onduladas, la falta de plantas de carbón, la agricultura, la agricultura y una sencillez que a veces anhelamos hoy. Si bien hay ciertos aspectos de eso que pueden ser ciertos, debemos recordar que este también fue un período antes de la gestión adecuada de residuos o la gestión de la contaminación del aire.

En la época preindustrial, cada vez que la gente quemaba algo, el humo permanecía cerca del suelo. Todos los contaminantes, que la gente ignoraba por completo, permanecerían justo donde la gente respiraba. Incluso lo que consideraríamos contaminación natural, como las partículas que se liberan al quemar madera para calentarla o cocinar, puede ser muy peligroso para el sistema respiratorio humano.

La invención de las chimeneas

Realmente no fue hasta el siglo XII, cuando se inventaron las chimeneas, que los humanos tuvieron alguna forma de manejar esta contaminación y alejarla del aire que respiraban. Cuando considera que las casas del pasado a menudo se iluminaban con lámparas de queroseno, leña o fuegos de turba, puede comprender cuán dañina habría sido la contaminación del aire interior en el pasado. Definitivamente no es algo para romantizar.

Después de la invención de la chimenea, se repitió gradualmente hasta aproximadamente el siglo XVIII, cuando la Revolución Industrial extendió el uso de la chimenea a edificios industriales como fábricas y forjas.

RELACIONADO: UN NUEVO ESTUDIO VINCULA LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE CON LA DIABETES GLOBAL

Si bien el Londres, París y Nueva York del siglo XVIII, todas las grandes ciudades de la época, estaban bastante contaminadas, en realidad habrían estado mucho más contaminadas si las instalaciones de fabricación que albergaban no usaran chimeneas. Las chimeneas eran esenciales y necesarias para llevar la contaminación del aire y los elementos tóxicos que de otro modo se asentarían cerca del suelo, a altitudes más altas para que esos contaminantes pudieran dispersarse en la atmósfera. Por supuesto, ahora también sabemos que los altos niveles de contaminantes en la atmósfera también pueden causar serios problemas, por lo que las chimeneas modernas también están equipadas con filtros y depuradores.

Las chimeneas garantizan que las emisiones de las fábricas se diluyan y dispersen. Garantizan que los productos químicos resultantes se dispersen en un área amplia donde haya contaminación por combustión y, por lo tanto, los efectos negativos se mitiguen en parte en las inmediaciones.

Los ingenieros, específicamente los ingenieros ambientales y civiles, deben saber cómo calcular las emisiones de las chimeneas para poder diseñarlas. Si tiene una determinada cantidad de contaminantes provenientes de una planta, según la geografía, la ubicación, la elevación y el tipo de contaminante, ¿qué altura o anchura debe tener la chimenea para dispersar eficazmente los contaminantes?

Esas son preguntas que los ingenieros deben responder. Antes de llegar a más detalles técnicos de esa solución, primero examinemos por qué la contaminación del aire es tan dañina en primer lugar. En otras palabras, ¿por qué esforzarse en construir chimeneas?

¿Qué riesgo presentan los contaminantes atmosféricos tóxicos?

La contaminación del aire es uno de los muchos peligros invisibles de nuestra era moderna. A menudo, está fuera de la vista y fuera de la mente, pero puede tener efectos peligrosos en todos y cada uno de nosotros.

Los contaminantes del aire ingresan al cuerpo principalmente a través de la respiración, pero algunos materiales, como los metales pesados, pueden depositarse en el aire y ser absorbidos por las plantas, y luego ingeridos cuando se comen las plantas. Otros contaminantes se pueden absorber a través de la piel.

Una vez que estos contaminantes ingresan al cuerpo, pueden alojarse en los pulmones o el torrente sanguíneo y eventualmente acumularse en varios órganos, especialmente los pulmones y el hígado. Esto, a su vez, puede provocar graves problemas de salud.

Una vez que los contaminantes alcanzan una concentración lo suficientemente alta en su cuerpo, los efectos negativos para la salud pueden incluir interferencia con las funciones corporales y químicas normales. En el nivel más básico, los contaminantes cambian las reacciones químicas en las células individuales, lo que puede causar muerte celular, deterioro de la función celular o provocar cáncer.

Los contaminantes del aire de esta manera pueden causar daños a los órganos internos, defectos de nacimiento y cáncer.

La mayoría de los contaminantes tienen algún nivel de relación dosis-respuesta. En la mayoría de los casos, un poco de contaminante con el tiempo no causará daños graves. Sin embargo, concentraciones altas de contaminantes durante un período corto de tiempo, o concentraciones más bajas pero más sostenidas en el tiempo, pueden causar problemas de salud más graves y duraderos. Sin embargo, si diluye algunos contaminantes lo suficiente, se reduce la probabilidad estadística de que sean dañinos, incluso durante períodos de exposición prolongados.

En algunos casos de cáncer dependiente de la contaminación, generalmente se asume que la relación entre la exposición al contaminante y el riesgo es lineal. En otras palabras, cuanto más se expone a un contaminante a lo largo del tiempo, más aumenta el riesgo de cáncer, todo de forma lineal con una correlación directa.

RELACIONADO: GOOGLE MAPS AHORA PROPORCIONA PROYECCIONES DE HUELLA DE CARBONO GEOGRÁFICO

Cuando se trata de otras enfermedades, excluido el cáncer, el gráfico es más refinado. En el caso de enfermedades distintas del cáncer, tiende a haber menos riesgo con niveles más bajos de exposición, pero el riesgo aumenta exponencialmente cuando se llega a niveles medios de exposición. Luego, la curva de riesgo se aplana un poco cuando la exposición se vuelve muy alta, lo que sugiere que el riesgo de daño a niveles medios y altos es similar.

Los científicos generalmente calculan el riesgo de cáncer de por vida de los contaminantes multiplicando la exposición máxima de por vida de un contaminante por la relación dosis-respuesta. Utilizando las matemáticas que siguen estas mismas líneas, los ingenieros ambientales y los científicos pueden extrapolar los mayores riesgos de cáncer en una población que vive cerca de una determinada fuente, digamos una gran fábrica.

Sin embargo, en general, es importante tener en cuenta que estos cálculos de riesgo son solo estimaciones. Los niveles exactos de riesgo y el resultado de la exposición a un contaminante en particular tienden a salir a la luz solo después de examinar los números de datos de salud y contaminación en la actualidad.

En general, los ingenieros y científicos que se someten a evaluaciones de riesgo de chimeneas o contaminantes del aire incluirán un factor de seguridad en sus cálculos.

Calcular la contaminación de las chimeneas

Ahora que hemos discutido un poco sobre el peligro de los contaminantes del aire y cómo los ingenieros pueden someterse a evaluaciones de riesgo para cada contaminante, podemos entrar en los aspectos técnicos de cómo los ingenieros determinan qué tan grande debe ser una chimenea y qué efecto tendría en el aire circundante.

Cuando sale humo o aire de una chimenea, su comportamiento depende de una serie de variables. Estos pueden incluir la temperatura del humo en relación con el aire, patrones de viento, volumen, tamaño, velocidad de flujo, elevación y más. Debido a esto, la forma en que el humo se comporta realmente varía drásticamente en las condiciones del mundo real, pero por el bien de las simulaciones y los cálculos, los ingenieros han categorizado las columnas de humo, o el humo que sale de la chimenea, en varios tipos diferentes de columnas. Se pueden ver ejemplos de estos en la imagen a continuación, de Benoit Cushman-Roisin, de la Escuela de Ingeniería Thayer en Dartmouth College.

Estos diagramas deben brindarle una breve introducción a lo difícil que es calcular y medir la contaminación de cualquier chimenea. Voy a tener que trazar una línea en este artículo con una introducción básica de lo que hacen las chimeneas en lugar de ejecutar cálculos reales de chimeneas. Porque este artículo no es de naturaleza estrictamente académica, sino más bien de educación general. Voy a profundizar en el proceso de cálculos de chimeneas y columnas y me detendré justo antes de hacer algo muy técnico. Si desea obtener más información, será necesario un libro de texto de ingeniería ambiental.

En general, las columnas de humo de las chimeneas serán de flujo gaussiano, o en otras palabras, la concentración de humo tomará la forma de una curva de campana en sección transversal. Como el humo deja una pila de altura, h, eventualmente se convertirá en una pluma, que es el rastro de gas. Esta altura de origen de la pluma, H, puede ser más alto que la altura de la chimenea, h, debido a la flotabilidad de los contaminantes. Esto esencialmente significa que el humo se elevará un poco antes de que se convierta en una columna.

RELACIONADO: ¿ES LA PRESA DE LAS TRES GORGES UNA OBRA MAESTRA O UN DESASTRE AMBIENTAL INPENDIENTE?

Si bien la sección transversal de la pluma en cualquier punto dado puede adoptar una variedad de formas, la sección transversal promedio de la columna de hecho termina siendo cercana a la forma gaussiana, razón por la cual los ingenieros generalmente pueden asumir esto.

Eche un vistazo al diagrama a continuación para tener una mejor idea de los conceptos que acabamos de mencionar. Puede ver claramente todas las variables en juego en un espacio.

En general, los ingenieros estarán más preocupados por la concentración a nivel del suelo de la pluma a una distancia determinada. Por ejemplo, digamos que hay una ciudad a 40 kilómetros por la carretera desde la columna. Los ingenieros ambientales querrían calcular la concentración de la pluma a un nivel entre el suelo y una altura determinada, a un valor de X = 25 millas.

En épocas de fuertes vientos, los contaminantes de la chimenea se diluyen a velocidades más altas, asumiendo el mismo caudal de la chimenea. En este caso, los vientos fuertes pueden ayudar a diluir los contaminantes más rápido, aunque el viento también puede causar turbulencias, cambiando la forma de la pluma y alterando los cálculos.

Al determinar la concentración de una pluma en el suelo en un punto dado, la fórmula podría verse así:

Csuelo siendo la concentración, S siendo la tasa de emisión, tu siendo la velocidad del viento en altura H, siendo σy el coeficiente de dispersión horizontal,σz siendo el coeficiente de dispersión vertical, y siendo la distancia del viento cruzado, y H siendo la altura efectiva de la pila.

Sin un título en ingeniería, o al menos algo de comprensión de esta ecuación, probablemente no querrá intentar las matemáticas. Es por eso que decidí detener este artículo en un punto puramente introductorio.

La ecuación se puede recurrir y cambiar para resolver cualquier variable dada, y podría calcular la altura que necesitaba para que se basara su chimenea en una concentración aprobada de contaminantes del aire a una distancia determinada. ¿No son las matemáticas y la ingeniería simplemente maravillosas? Es casi como si hubiera una forma empírica basada en datos para conocer y comprender todo lo que nos rodea. Ah, ingeniería.

Realmente solo he tocado la punta del iceberg en esta publicación, proporcionando una ecuación con algunos modelos que subrayan las complejidades del diseño y los cálculos de las chimeneas. Le he librado de las curvas de Pasquill que se usan para determinar los coeficientes de dispersión, de los perfiles de velocidad del viento basados ​​en elevaciones y de una variedad de otras sub-ecuaciones necesarias para que todo se equilibre.

Los ingenieros ambientales no solo se sientan todo el día preocupados por el derretimiento del hielo, son profesionales bien capacitados que trabajan para mantenerlo a salvo de una amplia variedad de peligros en el mundo que nos rodea. Si bien probablemente no pueda calcular las ecuaciones de las chimeneas en este punto, con suerte, esta publicación le ha ayudado a comprender las vastas complejidades de incluso algunas de las cosas más simples que nos rodean, incluso una simple chimenea.


Ver el vídeo: Tutorial Como CONSTRUIR una CHIMENEA FUNCIONAL en Espacio REDUCIDO (Enero 2023).