CC BY
47
УДК 502.175 Т.А. Стопорева,
А.Л. Новоселов
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ
И НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЧВ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ, ВЫБРАСЫВАЕМЫХ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ ДИЗЕЛЯ
Ключевые слова: атмосфера, критерий, градиент температуры, динамическая вязкость, дизель-генератор, турбулентность, токсичные вещества, концентрация, нагрузка.
Условия распространения в атмосфере и на поверхности почв токсичных веществ, выбрасываемых с отработавшими газами дизель-генератора, определяется состоянием окружающей среды, скоростью ветра, температурой, нагрузкой и концентрацией отдельных компонентов.
Состояние атмосферных условий в метеорологии связывается с турбулентностью атмосферы. Поскольку выпускные трубы дизель-генераторов, как правило, не имеют больших возвышений над поверхностью почвы, представляется возможным атмосферные условия связывать с турбулентным состоянием атмосферы в несколько упрощенном виде. То, что атмосферные условия влияют на распространение отработавших газов, было ранее показано А.Л. Новоселовым и установлено, что при Vог / и < 3,56 высоты факела выбросов становится меньше высоты выхлопной трубы уже на расстоянии 3-3,5 м, в то время как при Vог / и > 3,56 высота факела выбросов становится на S выше высоты среза выхлопной трубы дизель-генераторной установки (ДГУ) [1].
Исходя из теории массопереноса турбулентность атмосферы определяется динамическими и термическим критериями. Прежде чем перейти к описанию влияния турбулентности атмосферы на распро-
странение компонентов отработавших газов ДГУ, введем следующие обозначения: r — показатель метеоусловий, определяемый по величине вертикального переноса количества движения 0 < r < 1; Rs — динамические критерии Рейнольдса; й — средняя скорость ветра, м/с; L — характерный размер шлейфа газов, м; v — кинематическая вязкость воздуха, м2/с; Ri — термический критерий Ричардсона; q — ускорение свободного падения, м/с2; dT/dz — градиент температуры по вертикали, К/м; Т0 — температура окружающей среды, К; du/dz — градиент скорости
^
по вертикали, м/с; m — величина силы трения, отнесенной к единице поверхности, Н/м ; р,в — вязкость газов, кгс/м2; Км — коэффициент турбулентной вязкости;
"f — средняя концентрация f-го вещества в точке А с координатами x, y, z; u, v, w — скорости вдоль осей координат x, y, z соответственно; R^) — эйлеровский коэффициент корреляции; u'(^), ü'(^+t) — пульсация скоростей относительно оси х в момент с абсциссами u(^ + х); u'(Q), u'(Q + t) — пульсации скоростей частиц с абсциссой х в момент Q и (Q + t) времени; Qf — выбросы f-го компонента из трубы двигателя, м3/ч; QOT — выбросы отработавших газов дизелем, м3/ч; Suz и Suy — коэффициенты Сеттока, характеризующие вертикальную и горизонтальную турбулентные диффузии; vf — скорость осаждения частиц (диаметром менее 1 мкм (vf = 0,03 м/с).
Число Рейнольдса характеризует отношение сил инерции к силам вязкости (динамический критерий)
3 = йЧ_/у. (1)
Термический критерий Ричардсона представляет собой число, определяющее меру стабильности турбулентности атмосферы и ее расслоения по мощности
г„тч2
д ^ , /¿¿¡у
_ Тп (£2 \iisJ
^ = *п ал \азу
Постольку трубы дизелей ДГУ имеют высоту над поверхностью почвы порядка 3-3,5 м, в уравнении (2) термического критерия Ричардсона градиент температуры по вертикали будет величиной незначащей, как и адиабатический градиент.
В случае ламинарных потоков количество движения переносится молекулами по касательной к потоку и пропорциональной градиенту скорости
Лй
К.
,
(3)
а отношение динамической вязкости к плотности атмосферы представляется выражением
1Г/,"': " 1 ■--. (4) В условиях эксплуатации ДГУ приходится иметь дело только с турбулентными потоками атмосферы, где количество движения переносится крупнообъемными движущимися массами вблизи почвы [2, 3], а коэффициент турбулентной вязкости будет иметь вид
. (5) . (5)
Для помещений с ограниченным воздухообменом, где количество движения переносится направленными ламинарными потоками и пространство ограничено по высоте, коэффициент турбулентной вязкости имеет вид
" 1 , (6)
тогда отношение динамической вязкости к плотности атмосферы принимает вид для условий эксплуатации на открытом пространстве
- - -ч _ „ гШ
-.юг
9 с
Их
<1Е
(7)
и для условий эксплуатации в помещениях с ограниченным воздухообменом
Ро
-.11
(8)
Общее уравнение диффузии с учетом коэффициентов массопереноса имеет вид [2]
¿С _ ¡¿С _ ЙС _
(¡£ ЛЬ ¡Ах <£у ¿2
, (9)
= — (Х- -) + — (ку —) + — (к2 —)
.
Уравнение (9) будет справедливо, если рассматривать загрязнение окружающей среды одним из компонентов отработавших газов дизеля ДГУ, закрепленного неподвижно, диффузия осуществляется в виде пульсаций, которые характеризуются величинами эйлеровской корреляции в пространстве
, (10)
и логранжевской корреляции во времени
ч
, (11)
С учетом описанных рассуждений Сет-тоном для определения концентраций вредных выбросов в точке А пространства с координатами х, у, z выведены выражения
тг * Зи.у *5иг +Я,С' 3
ехр
1 /Г , Сг+я)Л|
.
(12)
Здесь направление ветра принимается по оси х, а Тейлором показано, что если х = и ■ t, то R(x) = R(t) [2].
Коэффициенты вертикальной и горизонтальной диффузии имеют вид
г2
1 Г
4у
(Й
1—г
ВГ
(13)
,2 _ 2 а-
(14)
.
С учетом метеоусловий для определения вертикальной и горизонтальной диффузии используют величины г:
сверхадиабатический градиент температур .........................................0,20;
сухоадиабатический градиент температур ............................................0,25;
слабая инверсия ........................0,33;
сильная инверсия .......................0,50.
Отмечается, что у почвы, до высоты 10 м величина коэффициентов Сеттона можно в расчетах принимать:
.
В помещениях распространение вредных выбросов определяется только коэффициентом горизонтальной диффузии, и средняя скорость потока совпадает с направлением диффузии.
Расход влажных отработавших газов для дизелей без наддува определяется выражением
(}ог = 4,148*10
м3/ч, (15)
для дизелей с наддувом
<?гг = 4,148* 10
м3/ч, (16) где GT — часовой расход топлива, кг/ч; а — коэффициент избытка воздуха; Р0 и Рк — давление окружающей среды и давление воздуха после компрессора, КПа.
Для решения задачи применяется принцип разделения струи отработавших газов на условные струи, компоненты в которых имеют свой молекулярный вес: воздуха — 29,3; оксида углерода — 28, оксидов азота — 46, углеводородов — 16. Сажа рассматривается как пылевые частицы. Рассеивание токсичных веществ определяется их содержанием и высотой выброса. Именно поэтому для каждого компонента необходимо отдельно производить расчет подъема факела выбросов над поверхностью почвы. Такой расчет выполняется по выражениям Бозанке, приведенным в литературе [2]. Расчеты производятся для определения приращений подъема факелов над средой трубы для каждого компонента
А Нс. = 4'77
¡1 й3 *Тп,
, (17)
^ _ \ д л }
где у^1 , (18)
Qf — расход {-го компонента в м3/ч при температуре Т,, К;
Т, — температура, при которой удельный вес всех компонентов и воздуха равен;
V,. — скорость газа в устье трубы, м/с;
А — разность между температурами Т и Т0;
G — вертикальный градиент температуры.
Для расчета высоты выброса сажи, приняв её условно за взвесь, используется зависимость Холланда: ДЯ = (1,5*17, * й + 5,172 «КГ5*^)
\ (19)
где Зп — теппопроизводитепьность, кВт; d — диаметр трубы, м. В выражении (12) для определения концентрации веществ в точке А остается неопределенным коэффициент турбулентной вязкости. Этот коэффициент удается рассчитать путем введения взамен коэффициента кинематической вязкости у произведения коэффициента шероховатости z0 на скорость трения для скорости ветра и = 5м/с на высоте 2 м. Тогда коэффициент турбулентной вязкости имеет вид
¿-1
1 (20)
с1й
¿2 ^о,■
где в — адиабатический градиент, в = 1;
к — постоянная Кармана, принимается к = 0,4 и учитывает длину смещения. Значения z0 и их заимствованы из литературы и приведены в таблице 1 [2].
Таблица 1
Значения коэффициентов шероховатости поверхности и скорости трения
Вид поверхности 20 их
Лед, снежный покров, оголенная почва 1 ■ 10-5 0,16
Луга с травами до 0,01 м высотой 1 ■ 10-3 0,27
Луга с травами до 0,5 м высотой 1-2 10-2 0,43
Высохшие травы до 0,6 м высотой 4-9 -10-2 0,60
Растительный покров свыше 1 метра 14 -10-2 0,70
Целина зимой 1-2 -10-2 0,40
Целина летом 2-4 -10-2 0,50
Концентрация {-го компонента отработавших газов в точке с координатами х, у, z для четырехтактного дизеля
Cf{x,y,z) =
Ei
(21)
л * Зпу 2
Концентрация {-го компонента отработавших газов у поверхности почвы в точке максимальной концентрации
£ шил__
Uf
Ji*SUp*Suz*u>wc
L Sub
Для сажи (ТЧ) максимальная концентрация у почвы определяется выражением
ISdif
£ max _ 1 " "
(22)
iliy *.?■]i 3 *li 2
y* I
J, г/м3
(23)
Задача определения загрязнения решается путем расчетов площадей эллипсов пятен, ограниченных концентрациями вредных веществ, превышающих ПДК от центра максимальных концентраций.
Теперь путем совмещения координат и положения эллипсов осаждения вредных веществ можно вводить и коэффициенты бинарности ^ при оценке токсичности отработавших газов.
Распространение токсичных веществ в помещениях с ограниченным воздухообменом имеет свои особенности. Такими помещениями в сельскохозяйственном производстве являются теплицы, парники, животноводческие комплексы, склады, зернохранилища. Рекомендуется применять выражения, связывающие начальные концентрации, количество подаваемого воздуха для вентиляции, объем помещения, время работы двигателя в нем
CP г
где > — начальная концентрация 1-го токсичного вещества;
, г/м3,
(24)
G,
-•— количество подаваемого системой вентиляции воздуха, м3/ч;
; — выбросы токсичного вещества, кг/ч;
■: — объем помещения, м3. С учетом выражений (15) и (16) концентрацию токсичного вещества с учетом времени эксплуатации дизеля в помещении можно описать:
+ О,С
/ 4 149* in~2G *Тп*
Q я _ I QH _ iu Чте -1 О
, Мв ч , 4,143* 10" 2(й J (---*Т) Н--
, г/м3
(25)
- 0,0-675 jffffl,.rK
Таким образом, при механизации процессов в сельскохозяйственном производстве с использованием мобильных машин и стационарных установок с дизелями появляется возможность оценки масштабов загрязнений, вносимых в окружающую среду с отработавшими газами.
Библиографический список
1. Новоселов А.Л. Последствия эксплуатации дизелей в животноводческих помещениях в зимних условиях / А.Л. Новосе-
, г/м3. (26)
лов // Совершенствование технологий и средств механизации сельскохозяйственного производства: сб. науч. тр. — Новосибирск, 1986. — С. 128-180.
2. Детри Ж.-П. Атмосфера должна быть чистой / Ж.-П. Детри. — М.: Прогресс, 1973. — 380 с.
3. Кирпатовский И.П. Охрана природы: справочник для работников нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности / И.П. Кирпатовский. — М.: Химия, 1980. — 376 с.
