Навігація
Головна
другий. ЗАХИСТ АТМОСФЕРИ ВІД ВИКИДІВ ШКІДЛИВИХ РЕЧОВИНрозсіювання домішок в атмосферіЕлементи процесу дифузіїПопередження шкідливих впливів на атмосферуВстановлення гранично допустимих викидів шкідливих речовин і...Захист атмосфери від шкідливих впливівЕКОЛОГІЯ АТМОСФЕРИЗАХИСТ ВІД ШКІДЛИВИХ ПРОГРАМВплив вуглецю і постійних домішок на властивості сталиЕКОНОМІЧНІ ПОРОГИ ШКІДЛИВОСТІ
 
Головна arrow Екологія arrow Теоретичні основи захисту навколишнього середовища
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

Процеси дифузії шкідливих домішок в атмосфері

Поширення домішок в атмосферному повітрі підкоряється законам дифузії. Для атмосферних домішок найбільш характерна конвективна дифузія шляхом турбулентних пульсацій.

Істота масообмінних або дифузійних процесів полягає в перенесенні речовини шляхом дифузії з однієї фази в іншу в бік досягнення рівноваги. Основним видом процесів масопереносу домішок в атмосферному повітрі є змішання і массообмен між потоками газу або рідини.

У нерухомих аеродисперсних системах може відбуватися диффузионное поширення зважених часток розміром менше 1 мкм. Такі частинки здійснюють хаотичні переміщення зразок броунівського руху молекул, але з меншою інтенсивністю. Дифузія частинок є наслідком їх зіткнень з молекулами, однак відбувається значно повільніше, ніж дифузія молекул в газі. Коефіцієнти дифузії частинок можуть бути порівнянні по порядку з коефіцієнтом дифузії молекул в рідких розчинах і змінюються орієнтовно в межах 3 · 10 -11 ... 3 · 10 -7 м 2 / с для частинок розмірами відповідно від 10 -6 до 10 -8 м . Коефіцієнт дифузії D частинок наближено можна підрахувати за формулою

(8.1)

де d - середній діаметр частинок, м; N - число Авогадро; З до - число Каннінгхема.

Число Каннінгхема вводиться у формулу (8.1) для обліку прослизання часток щодо молекул. Для частинок, зважених в повітрі при атмосферному тиску, його можна визначити за спрощеним співвідношенню

(8.2)

У потоках аерозолів рух зважених часток різних розмірів має різний характер. Якщо режим руху потоку ламінарний, а розміри частинок сумірні з довжиною вільного пробігу молекул (орієнтовно 10 -7 м і менше), то на їх русі істотно позначаються дифузійні процеси.

Характер руху частинок, розміри яких перевершують довжину вільного пробігу молекул, в основному визначаються силами, що формують потік аерозолю (інерційними, гравітаційними, електричними і т.д.) і опором середовища.

Діапазони розмірів, в яких реалізуються різні режими руху частинок, встановлюють за критерієм (числу) Кнудсена (Кn):

(8.3)

де l мг - середня довжина пробігу молекул газу при заданих параметрах стану; d ч - діаметр частинки, причому обидві величини виражають у однакових одиницях виміру.

Якщо Кn> 0,1 при розмірах зважених часток менш 10 -6 м, аерозоль може розглядатися як дискретна середу, зважені частинки якої пересуваються в просторі між молекулами газу-носія. При цьому розрізняють три моделі переміщення частинок: рух з ковзанням (0,1 <Кn <0,3), перехідне (0,3 <Кn <10) і броунівський, або свободномолекулярное (Кn> 10).

При розмірах часток більше 10 м поправкою Каннінгхема нехтують, середу розглядають як суцільну, а режим руху частинок називають гідродинамічним або стоксовского. В якості характеристики руху одиночної частинки в суцільному газовому потоці приймають для неї критерій Рейнольдса Re ч, який підраховують по співвідношенню

(8.4)

де φ г - об'ємна частка газу в потоці; w ч, ν Γ - швидкості частинки і газу-носія.

Подібно процесам тепловіддачі концентрація распределяемого речовини в елементарному об'ємі фази в граничному дифузійному шарі змінюється як за рахунок молекулярної дифузії, так і за рахунок механічного перенесення цього елемента в зони з різною концентрацією.

Зміна маси распределяемого речовини за рахунок конвекції і молекулярної дифузії в елементарному об'ємі dV складе величину

(8.5)

де u, w, v - швидкості перенесення речовини відповідно в напрямках х, у, z; D x, D y, D z - коефіцієнти турбулентної дифузії за відповідними напрямами.

Після скорочень і перегрупування отримаємо диференціальне рівняння конвективної дифузії, яке виражає закон розподілу концентрацій:

(8.6)

Рівняння (8.6) є рівняння нерозривності потоку домішки.

Члени, що містять компоненти осредненной швидкості u, w, v, у напрямку координатних осей х, у, дописують конвективний перенос домішки. У правій частині рівняння згруповані члени, що описують турбулентну дифузію домішки.

У нерухомій середовищі u = w = v = 0, для якої диференціальне рівняння молекулярної дифузії або другий закон Фі ка приймає вигляд:

(8.7)

Повний математичний опис процесу має включати диференціальне рівняння гідродинаміки (рівняння Нав'є-Стокса і нерозривності), а також рівняння умов на межі фази.

data-override-format="true" data-page-url = "http://stud.com.ua">

Наближено вважають, що сили плавучості, пов'язані з наявністю градієнта температури по висоті атмосфери, не породжують усередненого руху по вертикалі, але мають істотний вплив на структуру турбулентності, тобто на розміри і інтенсивність пульсацій турбулентних вихорів. Тоді, якщо вісь зорієнтована по напрямку вітру, для рівній місцевості w = 0, а якщо домішка пасивна, то і v = 0. Можна також знехтувати членом, враховує дифузію домішки в напрямку осі х, так як дифузний перенесення в цьому напрямку значно слабкіше конвективного .

Для стаціонарного процесу розсіювання в результаті цих спрощень рівняння (8.6) приймає вигляд

(8.8)

Якщо джерело інтенсивністю М (г / с) розташований в точці з координатами х = 0, у = 0, z = Н, то граничні умови для рівняння (8.8) формулюються наступним чином;

(8.9)

(8.10)

(8.11)

де δ (y), δ (z - Н) - дельта-функції, м -1.

Умова (8.9) стверджує, що конвективний потік домішки від точкового джерела дорівнює його інтенсивності. Умови (8.10) випливають з очевидного факту убування концентрації з видаленням від джерела.

Рівняння (8.11) є умова непроникності підстильної поверхні для домішки. Підстилаюча поверхня може частково або повністю поглинати домішка. Наприклад, водна або зволожена поверхня може поглинати газові домішки, розчиняючи їх; осідання дисперсних забруднювачів на поверхні теж слід розглядати як їх поглинання. У цих випадках умова непроникності (8.11) має бути замінене на умова часткової або повної проникності.

Для рішення рівняння (8.8) при граничних умовах (8.9) - (8.11) необхідно мати інформацію про розподіл по висоті атмосфери швидкості вітру і значенні коефіцієнтів турбулентної дифузії D z, D y.

Структура турбулентності в атмосфері, а отже, і значення коефіцієнтів турбулентної дифузії залежать від висоти z, шорсткості підстильної поверхні, а також від критерію Річардсона, що характеризує ставлення сил плавучості і інерції в атмосфері

(8.12)

Поряд з градієнтним поданням критерію Річардсона використовують інтегральне:

(8.13)

де β - термічний коефіцієнт об'ємного розширення, К -1; Рr т - турбулентний число Прандтля (Рr т ≈ 0,7); l - розмір об'єкта, наприклад товщина хмари або шару атмосфери, м; Δρ = ρ - ρ 0 - різниця густин повітря на висоті ζ і у поверхні землі, кг / м 3.

Величина градієнта dΤ / dz визначає температурну стратифікацію (розшарування) по висоті атмосфери. Якщо перенесення теплоти по вертикалі відсутній, то атмосфера знаходиться в стані рівноважної (байдужою) стратифікації. Відповідний такого стану градієнт, званий адіабатичним dΤ / dz = g / c p, дорівнює приблизно 1 К на 100 м висоти.

При dΤ / dz> g / c р (сверхадіабатіческій градієнт) стан атмосфери нестійкий, теплові потоки сприяють розвитку конвекції у вертикальному напрямку і посиленню турбулентного обміну. Якщо градієнт температури позитивний, то має місце стійка стратифікація, звана температурної інверсією. Така ситуація сприяє придушенню конвективного руху і ослаблення турбулентності. Висота шарів приземної інверсії може коливатися від десятків до сотень метрів.

Значення градієнта температури змінюється протягом доби і по сезонах і залежить від радіаційного балансу підстилаючої поверхні. При наявності вітру рух у випадку нестійкої стратифікації буде також нестійким; у разі стійкої стратифікації характер вертикального конвективного руху визначається значенням числа Річардсона.

У приземному шарі атмосфери

(8.14)

де D 1 - значення D z на висоті z 1 = 1 м при рівноважних умовах, м 2 / с; Ri m - середнє по висоті приземного шару значення числа Річардсона.

Профіль швидкості вітру описується формулою

(8.15)

де u 1 - швидкість вітру на висоті z 1, м / с; z 0 - шорсткість підстилаючої поверхні (z 0 ≈ 0,01 м).

Рішення рівняння (8.8) з використанням співвідношень (8.14), (8.15) можливе тільки чисельним методом. Аналітичне рішення може бути отримано за допомогою Упрошенная залежностей:

(8.16)

(8.17)

(8.18)

де α і β - безрозмірні параметри, підібрані з умови найкращої відповідності фактичних і розрахункових профілів швидкості вітру і коефіцієнта обміну (зазвичай α ≈ 1, β ≈ 0,15); l 0 - характерний розмір, який також підбирається з умови відповідності досвідченим даним. Значення l 0 становить 0,1 ... 1 м і залежить від ступеня стійкості атмосфери. При нестійкій стратифікації l 0 = = 0,5 ... 1 м, при стійкій стратифікації / 0 зменшується.

 
Якщо Ви помітили помилку в тексті позначте слово та натисніть Shift + Enter
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
data-override-format="true" data-page-url = "http://stud.com.ua">

Cхожі теми

другий. ЗАХИСТ АТМОСФЕРИ ВІД ВИКИДІВ ШКІДЛИВИХ РЕЧОВИН
розсіювання домішок в атмосфері
Елементи процесу дифузії
Попередження шкідливих впливів на атмосферу
Встановлення гранично допустимих викидів шкідливих речовин і попередження шкідливих впливів на атмосферу
Захист атмосфери від шкідливих впливів
ЕКОЛОГІЯ АТМОСФЕРИ
ЗАХИСТ ВІД ШКІДЛИВИХ ПРОГРАМ
Вплив вуглецю і постійних домішок на властивості стали
ЕКОНОМІЧНІ ПОРОГИ ШКІДЛИВОСТІ
 
Дисципліни
Агропромисловість
Аудит та Бухоблік
Банківська справа
БЖД
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Нерухомість
Менеджмент
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
Соціологія
Статистика
Техніка
Страхова справа
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Пошук